自动化学科

自动化学科

1.1学科背景

自动化专业的实践教学体系单纯以课程为基础设置，实验室主要完成相关课程知识的验证和巩固，各实验之间基本无关联。这样会造成学生无法将知识系统化，难以建立关系到多课程的系统性概念。即便是综合性、设计性实验，也由于实验装置的过度模块化、集成化，使得在为学生提供模拟实际的操作中显得力不从心，而难于将专业知识系统化并与工程实际相联系。虚拟仿真实验室的建立将成为多课程知识系统化的纽带，理论与工程实践联系的桥梁。然而现实中诸多环境条件的制约使得自动化的实验教学难以展开，主要包括：

（1）自动化实验都是大型实验，学校所具备实验台套数不足。场地狭小开展实验有所限制；

（2）自动化实验复杂程度比较高，实验教学老师少，面向学生人数严重不足，并且会出现不能随意搭建等，影响实验的真实性，与随机性。

（3）自动化实验危险性高，不便做边界条件实验，不能让学生实现完全投身于实验当中。

（4）自动化实验缺少随机性，实验本身的特点，不能根据自己的实验需要构造新的实验模块、添加新的实验仪器或在已有的功能模块的基础上用改进、组合或混合方法构建新的模块。

虚拟仿真技术能够很好的解决上述问题，进行虚拟实验，熟悉设备环境和操作，节省真实实验时间。虚拟实验可以彻底打破空间的限制，在任何地点任何时间给任何实验者提供学习、工作和研究的实验场所的虚拟实验室，便于实验教学和科学研究的进行。虚拟仿真实验建立了全方位、全过程、全场景的运行、检修维护、安全等方面高逼真度培训环境。

北京润尼尔公司有丰富的自动化类虚拟仿真实验项目建设经验，合作的院校主要包括：北京航空航天大学、中国民航大学、北京理工大学、南京大学、天津工业大学等。

1.2成品资源

1自动控制原理虚拟实验教学系统

本产品是针对各类大中专院校《自动控制原理》实验课程配套开发的可在网上开展基于C/S架构的虚拟实验教学系统，系统由课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两部分组成。仿真平台采用虚拟机技术仿真实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境；虚拟实验教学管理系统提供全方位的虚拟实验教学辅助功能，包括：实验前的预习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能，为实验教学环境提供服务并开展应用。可满足各类大中专院校《自动控制原理》课程实验教学环节的需要，尤其适用于远程教学。

自动控制原理适用专业：自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、电子信息工程、电子科学与技术等。

自动控制原理软件界面

系统提供了9个库，68个自动控制原理模块

1、信号源库（5个）

阶跃信号源模块、斜坡信号源模块、加速度信号源模块、脉冲信号源模块、正弦信号源模块

2、数据库（2个）

常数生成器模块、常矩阵生成器模块

3、连续系统模型实现库（13个）

连续传递函数模型实现模块、连续零极点增益模型实现模块、连续状态空间模型实现模块、连续比例环节实现模块、连续积分环节实现模块、连续微分环节实现模块、连续比例积分环节实现模块、连续比例微分环节实现模块、连续比例积分微分环节实现模块、连续一阶惯性环节实现模块、连续二阶闭环系统实现模块、连续二阶开环系统实现模块、连续超前滞后环节实现模块

4、连续系统模型建立库（9个）

连续传递函数模型建立模块、连续零极点增益模型建立模块、连续状态空间模型建立模块、连续比例环节建立模块、连续积分环节建立模块、连续微分环节建立模块、连续一阶惯性环节建立模块、连续比例微分环节建立模块、连续二阶闭环系统建立模块

5、离散系统模型实现库（5个）

离散传递函数模型实现模块、离散零极点增益模型实现模块、离散状态空间模型实现模块、采样开关模块、零阶保持器模块

6、离散系统模型建立库（3个）

离散传递函数模型建立模块、离散零极点增益模型建立模块、离散状态空间模型建立模块

7、操作库（5个）

减操作模块（反馈元件）、加操作模块（同步元件）、反馈连接模块、并联连接模块、串联连接模块、时域图模块

8、图形生成库（9个）

时域图模块、连续零极点图模块、连续根轨迹图模块、连续Bode图模块、连续Nyquist图模块、离散零极点图模块、离散根轨迹图模块、离散Bode图模块、离散Nyquist图模块

9、系统分析库（17个）

数据输出模块、典型二阶系统动态特性分析模块、动态性能分析模块、根轨迹分析模块（默认值）、根轨迹分析模块、频率特性分析模块、对数频率特性分析模块（默认值）、对数频率特性分析模块、幅相频率特性分析模块（默认值）、幅相频率特性分析模块、稳定裕度分析模块、特征值求解模块、状态方程线性转换模块、可控性判断模块、可观测性判断模块、极点配置模块、状态观测器模块。

使用现有器材模型系统提出了如下15个实验的训练：

★1)典型输入信号产生

★2)典型环节时域分析研究

★3)典型二阶系统时域分析研究（一）

★4)典型二阶系统时域分析研究（二）

★5)典型三阶系统性能与稳定性研究

★6)线性定常系统稳态误差分析

★7)线性系统的根轨迹分析

★8)典型环节的频率特性分析研究

★9)线性系统时域法串联校正

★10)线性系统频域法串联超前校正

★11)线性系统频域法串联滞后校正

★12)线性系统PID校正

★13)采样控制系统分析

★14)采样控制系统的动态校正

★15)线性系统的状态反馈及极点配置

★备注：除上述实验，用户也可以利用提供的器材模型自主添加典型实验。

2  过程控制虚拟实验教学系统

本产品是针对各类大中专院校《过程控制》实验课程配套开发的可在网上开展基于C/S架构的虚拟实验教学系统，系统由课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两部分组成。仿真平台采用虚拟机技术仿真实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境；虚拟实验教学管理系统提供全方位的虚拟实验教学辅助功能，包括：实验前的预习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能，为实验教学环境提供服务并开展应用。可满足各类大中专院校《过程控制》课程实验教学环节的需要，尤其适用于远程教学。

过程控制系统适用专业：自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器及自动控制类相关专业。

过程控制系统软件界面

系统提供了6个库，38个过程控制系统模块

★1.信号源库(共6个)

连续阶跃信号模块、连续斜坡信号模块、连续加速度信号模块、连续正弦信号模块、连续方波信号模块、常数模块

★2.噪声源库(共3个)

高斯噪声模块、瑞利噪声模块、均匀噪声模块

★3.图像生成库(共4个)

时域响应曲线图模块、多端口示波器模块、伯德图模块、奈奎斯特图模块

★4.过程模型库(共12个)

一阶无自衡非振荡模型模块、二阶无自衡非振荡模型模块、一阶自衡非振荡模型模块、二阶自衡非振荡模型模块、N阶自衡非振荡模型模块、二阶自衡振荡模型模块、状态空间模块、传递函数模块、零点极点增益传递函数模块、纯时间延迟模块、比例积分微分控制器模块、前馈补偿器模块

★5.过程模型分析库(共10个)

一阶无自衡非振荡模型分析模块、二阶无自衡非振荡模型分析模块、一阶自衡非振荡模型分析模块、二阶自衡非振荡模型分析模块、N阶自衡非振荡模型分析模块、二阶自衡振荡模型分析模块、状态空间分析模块、传递函数分析模块、零点极点增益传递函数分析模块、纯时间延迟分析模块

★6.数学运算库(共3个)

加法模块、减法模块、增益模块

使用现有器材模型系统提出了如下12个实验的训练：

★1)常见过程模型的动态特性研究

★2)PID控制算法研究

★3)PID控制器参数整定

★4)串级与单回路控制对比仿真

★5)串级控制的参数整定仿真

★6)串级控制系统设计仿真

★7)比值控制系统设计及参数整定

★8)前馈控制系统设计及参数整定

★9)纯滞后控制系统设计及参数整定

★10）前馈补偿解耦控制

★11）反馈补偿解耦控制

★12）对角阵解耦控制

★备注：除上述实验，用户也可以利用提供的器材模型自主添加典型实验。

3水箱液位控制虚拟实验教学系统

该虚拟实验教学系统采用三维仿真+控制算法编程的技术开发而成，学生可在场景中全方位观察设备的构造，结合Matlab语言编程技术，学生可以通过编写程序控制液位变化，形象直观地了解实验实时控制效果。

系统采用平面和三维结合的实验界面，三维技术展现被控对象及实验效果，系统还提供绘制被控系统方块图、编写控制算法.m文件、控制效果曲线图的输出、实验原理图展示等功能。通过亲自动手编写控制算法和相应实验效果的观察，有助于提高学生控制系统设计与参数调试的能力。学生还可通过系统的保存功能将实验脚本保存至本地便于以后查看。实验过程中，可通过帮助功能查看系统的使用说明。

实验项目

4 电机转速控制虚拟仿真实验教学系统

电机转速控制虚拟仿真实验项目是为自动控制原理课程实验教学而研制开发的一个软件系统，该系统采用B/S架构，为自动控制原理实验教学构建了一个全新的实验环境。在该环境下，用户可以自主选择编程仿真或者方框图搭建两种形式来设计实验。

综合运用了最新的设计思想和多种关键技术，使之在整体结构、操作方式、界面设计和结果显示等方面技术特色突出。系统强调将互动的可视化操作贯穿于整个实验过程，充分激发个人的创作灵感，使学生可以根据各自的创意去构思、验证各种个性化的设计方案，自主完成实验的全过程。

实验项目