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  • 自動化學科

    1.1學科背景

    自動化專業的實踐教學體系單純以課程為基礎設置,實驗室主要完成相關課程知識的驗證和鞏固,各實驗之間基本無關聯。這樣會造成學生無法將知識系統化,難以建立關系到多課程的系統性概念。即便是綜合性、設計性實驗,也由于實驗裝置的過度模塊化、集成化,使得在為學生提供模擬實際的操作中顯得力不從心,而難于將專業知識系統化并與工程實際相聯系。虛擬仿真實驗室的建立將成為多課程知識系統化的紐帶,理論與工程實踐聯系的橋梁。然而現實中諸多環境條件的制約使得自動化的實驗教學難以展開,主要包括:

    (1)自動化實驗都是大型實驗,學校所具備實驗臺套數不足。場地狹小開展實驗有所限制;

    (2)自動化實驗復雜程度比較高,實驗教學老師少,面向學生人數嚴重不足,并且會出現不能隨意搭建等,影響實驗的真實性,與隨機性。

    (3)自動化實驗危險性高,不便做邊界條件實驗,不能讓學生實現完全投身于實驗當中。

    (4)自動化實驗缺少隨機性,實驗本身的特點,不能根據自己的實驗需要構造新的實驗模塊、添加新的實驗儀器或在已有的功能模塊的基礎上用改進、組合或混合方法構建新的模塊。

    虛擬仿真技術能夠很好的解決上述問題,進行虛擬實驗,熟悉設備環境和操作,節省真實實驗時間。虛擬實驗可以徹底打破空間的限制,在任何地點任何時間給任何實驗者提供學習、工作和研究的實驗場所的虛擬實驗室,便于實驗教學和科學研究的進行。虛擬仿真實驗建立了全方位、全過程、全場景的運行、檢修維護、安全等方面高逼真度培訓環境。

    北京潤尼爾公司有豐富的自動化類虛擬仿真實驗項目建設經驗,合作的院校主要包括:北京航空航天大學、中國民航大學、北京理工大學、南京大學、天津工業大學等。

    1.2成品資源

    1自動控制原理虛擬實驗教學系統

    本產品是針對各類大中專院?!蹲詣涌刂圃怼穼嶒炚n程配套開發的可在網上開展基于C/S架構的虛擬實驗教學系統,系統由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統兩部分組成。仿真平臺采用虛擬機技術仿真實驗中用到的器材和設備,提供與真實實驗相似的實驗環境;虛擬實驗教學管理系統提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能,包括:實驗前的預習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的批改、實驗成績統計查詢等功能,為實驗教學環境提供服務并開展應用??蓾M足各類大中專院?!蹲詣涌刂圃怼氛n程實驗教學環節的需要,尤其適用于遠程教學。

    自動控制原理適用專業:自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器、電子信息工程、電子科學與技術等。

    自動控制原理軟件界面

    系統提供了9個庫,68個自動控制原理模塊

    1、信號源庫(5個)

    階躍信號源模塊、斜坡信號源模塊、加速度信號源模塊、脈沖信號源模塊、正弦信號源模塊

    2、數據庫(2個)

    常數生成器模塊、常矩陣生成器模塊

    3、連續系統模型實現庫(13個)

    連續傳遞函數模型實現模塊、連續零極點增益模型實現模塊、連續狀態空間模型實現模塊、連續比例環節實現模塊、連續積分環節實現模塊、連續微分環節實現模塊、連續比例積分環節實現模塊、連續比例微分環節實現模塊、連續比例積分微分環節實現模塊、連續一階慣性環節實現模塊、連續二階閉環系統實現模塊、連續二階開環系統實現模塊、連續超前滯后環節實現模塊

    4、連續系統模型建立庫(9個)

    連續傳遞函數模型建立模塊、連續零極點增益模型建立模塊、連續狀態空間模型建立模塊、連續比例環節建立模塊、連續積分環節建立模塊、連續微分環節建立模塊、連續一階慣性環節建立模塊、連續比例微分環節建立模塊、連續二階閉環系統建立模塊

    5、離散系統模型實現庫(5個)

    離散傳遞函數模型實現模塊、離散零極點增益模型實現模塊、離散狀態空間模型實現模塊、采樣開關模塊、零階保持器模塊

    6、離散系統模型建立庫(3個)

    離散傳遞函數模型建立模塊、離散零極點增益模型建立模塊、離散狀態空間模型建立模塊

    7、操作庫(5個)

    減操作模塊(反饋元件)、加操作模塊(同步元件)、反饋連接模塊、并聯連接模塊、串聯連接模塊、時域圖模塊

    8、圖形生成庫(9個)

    時域圖模塊、連續零極點圖模塊、連續根軌跡圖模塊、連續Bode圖模塊、連續Nyquist圖模塊、離散零極點圖模塊、離散根軌跡圖模塊、離散Bode圖模塊、離散Nyquist圖模塊

    9、系統分析庫(17個)

    數據輸出模塊、典型二階系統動態特性分析模塊、動態性能分析模塊、根軌跡分析模塊(默認值)、根軌跡分析模塊、頻率特性分析模塊、對數頻率特性分析模塊(默認值)、對數頻率特性分析模塊、幅相頻率特性分析模塊(默認值)、幅相頻率特性分析模塊、穩定裕度分析模塊、特征值求解模塊、狀態方程線性轉換模塊、可控性判斷模塊、可觀測性判斷模塊、極點配置模塊、狀態觀測器模塊。

    使用現有器材模型系統提出了如下15個實驗的訓練:

    ★1)典型輸入信號產生

    ★2)典型環節時域分析研究

    ★3)典型二階系統時域分析研究(一)

    ★4)典型二階系統時域分析研究(二)

    ★5)典型三階系統性能與穩定性研究

    ★6)線性定常系統穩態誤差分析

    ★7)線性系統的根軌跡分析

    ★8)典型環節的頻率特性分析研究

    ★9)線性系統時域法串聯校正

    ★10)線性系統頻域法串聯超前校正

    ★11)線性系統頻域法串聯滯后校正

    ★12)線性系統PID校正

    ★13)采樣控制系統分析

    ★14)采樣控制系統的動態校正

    ★15)線性系統的狀態反饋及極點配置

    備注:除上述實驗,用戶也可以利用提供的器材模型自主添加典型實驗。

    2  過程控制虛擬實驗教學系統

    本產品是針對各類大中專院?!哆^程控制》實驗課程配套開發的可在網上開展基于C/S架構的虛擬實驗教學系統,系統由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統兩部分組成。仿真平臺采用虛擬機技術仿真實驗中用到的器材和設備,提供與真實實驗相似的實驗環境;虛擬實驗教學管理系統提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能,包括:實驗前的預習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的批改、實驗成績統計查詢等功能,為實驗教學環境提供服務并開展應用??蓾M足各類大中專院?!哆^程控制》課程實驗教學環節的需要,尤其適用于遠程教學。

    過程控制系統適用專業:自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器及自動控制類相關專業。

    過程控制系統軟件界面

    系統提供了6個庫,38個過程控制系統模塊

    1.信號源庫(共6個)

    連續階躍信號模塊、連續斜坡信號模塊、連續加速度信號模塊、連續正弦信號模塊、連續方波信號模塊、常數模塊

    2.噪聲源庫(共3個)

    高斯噪聲模塊、瑞利噪聲模塊、均勻噪聲模塊

    3.圖像生成庫(共4個)

    時域響應曲線圖模塊、多端口示波器模塊、伯德圖模塊、奈奎斯特圖模塊

    4.過程模型庫(共12個)

    一階無自衡非振蕩模型模塊、二階無自衡非振蕩模型模塊、一階自衡非振蕩模型模塊、二階自衡非振蕩模型模塊、N階自衡非振蕩模型模塊、二階自衡振蕩模型模塊、狀態空間模塊、傳遞函數模塊、零點極點增益傳遞函數模塊、純時間延遲模塊、比例積分微分控制器模塊、前饋補償器模塊

    5.過程模型分析庫(共10個)

    一階無自衡非振蕩模型分析模塊、二階無自衡非振蕩模型分析模塊、一階自衡非振蕩模型分析模塊、二階自衡非振蕩模型分析模塊、N階自衡非振蕩模型分析模塊、二階自衡振蕩模型分析模塊、狀態空間分析模塊、傳遞函數分析模塊、零點極點增益傳遞函數分析模塊、純時間延遲分析模塊

    6.數學運算庫(共3個)

    加法模塊、減法模塊、增益模塊

    使用現有器材模型系統提出了如下12個實驗的訓練:

    ★1)常見過程模型的動態特性研究

    ★2)PID控制算法研究

    ★3)PID控制器參數整定

    ★4)串級與單回路控制對比仿真

    ★5)串級控制的參數整定仿真

    ★6)串級控制系統設計仿真

    ★7)比值控制系統設計及參數整定

    ★8)前饋控制系統設計及參數整定

    ★9)純滯后控制系統設計及參數整定

    ★10)前饋補償解耦控制

    ★11)反饋補償解耦控制

    ★12)對角陣解耦控制

    備注:除上述實驗,用戶也可以利用提供的器材模型自主添加典型實驗。

    3水箱液位控制虛擬實驗教學系統

    該虛擬實驗教學系統采用三維仿真+控制算法編程的技術開發而成,學生可在場景中全方位觀察設備的構造,結合Matlab語言編程技術,學生可以通過編寫程序控制液位變化,形象直觀地了解實驗實時控制效果。

    系統采用平面和三維結合的實驗界面,三維技術展現被控對象及實驗效果,系統還提供繪制被控系統方塊圖、編寫控制算法.m文件、控制效果曲線圖的輸出、實驗原理圖展示等功能。通過親自動手編寫控制算法和相應實驗效果的觀察,有助于提高學生控制系統設計與參數調試的能力。學生還可通過系統的保存功能將實驗腳本保存至本地便于以后查看。實驗過程中,可通過幫助功能查看系統的使用說明。

    實驗項目

    4 電機轉速控制虛擬仿真實驗教學系統

    電機轉速控制虛擬仿真實驗項目是為自動控制原理課程實驗教學而研制開發的一個軟件系統,該系統采用B/S架構,為自動控制原理實驗教學構建了一個全新的實驗環境。在該環境下,用戶可以自主選擇編程仿真或者方框圖搭建兩種形式來設計實驗。

    綜合運用了最新的設計思想和多種關鍵技術,使之在整體結構、操作方式、界面設計和結果顯示等方面技術特色突出。系統強調將互動的可視化操作貫穿于整個實驗過程,充分激發個人的創作靈感,使學生可以根據各自的創意去構思、驗證各種個性化的設計方案,自主完成實驗的全過程。

    實驗項目

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