自動化學(xué)科
1.1學(xué)科背景
自動化專業(yè)的實踐教學(xué)體系單純以課程為基礎(chǔ)設(shè)置，實驗室主要完成相關(guān)課程知識的驗證和鞏固，各實驗之間基本無關(guān)聯(lián)。這樣會造成學(xué)生無法將知識系統(tǒng)化，難以建立關(guān)系到多課程的系統(tǒng)性概念。即便是綜合性、設(shè)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(xué)生提供模擬實際的操作中顯得力不從心，而難于將專業(yè)知識系統(tǒng)化并與工程實際相聯(lián)系。虛擬仿真實驗室的建立將成為多課程知識系統(tǒng)化的紐帶，理論與工程實踐聯(lián)系的橋梁。然而現(xiàn)實中諸多環(huán)境條件的制約使得自動化的實驗教學(xué)難以展開，主要包括：
（1）自動化實驗都是大型實驗，學(xué)校所具備實驗臺套數(shù)不足。場地狹小開展實驗有所限制；
（2）自動化實驗復(fù)雜程度比較高，實驗教學(xué)老師少，面向?qū)W生人數(shù)嚴(yán)重不足，并且會出現(xiàn)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(xué)生實現(xiàn)完全投身于實驗當(dāng)中。
（4）自動化實驗缺少隨機性，實驗本身的特點，不能根據(jù)自己的實驗需要構(gòu)造新的實驗?zāi)K、添加新的實驗儀器或在已有的功能模塊的基礎(chǔ)上用改進、組合或混合方法構(gòu)建新的模塊。
虛擬仿真技術(shù)能夠很好的解決上述問題，進行虛擬實驗，熟悉設(shè)備環(huán)境和操作，節(jié)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(xué)習(xí)、工作和研究的實驗場所的虛擬實驗室，便于實驗教學(xué)和科學(xué)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(xùn)環(huán)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(shè)經(jīng)驗，合作的院校主要包括：北京航空航天大學(xué)、中國民航大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等。
1.2成品資源
1自動控制原理虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)
本產(chǎn)品是針對各類大中專院校《自動控制原理》實驗課程配套開發(fā)的可在網(wǎng)上開展基于C/S架構(gòu)的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬機技術(shù)仿真實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學(xué)輔助功能，包括：實驗前的預(yù)習(xí)、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學(xué)安排、實驗過程的指導(dǎo)、實驗結(jié)果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能，為實驗教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用?？蓾M足各類大中專院校《自動控制原理》課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠(yuǎn)程教學(xué)。
自動控制原理適用專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)等。
自動控制原理軟件界面
系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫（2個）
常數(shù)生成器模塊、常矩陣生成器模塊
3、連續(xù)系統(tǒng)模型實現(xiàn)庫（13個）
連續(xù)傳遞函數(shù)模型實現(xiàn)模塊、連續(xù)零極點增益模型實現(xiàn)模塊、連續(xù)狀態(tài)空間模型實現(xiàn)模塊、連續(xù)比例環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)微分環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)比例積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)比例微分環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)比例積分微分環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)一階慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊、連續(xù)二階閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)模塊、連續(xù)二階開環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)模塊、連續(xù)超前滯后環(huán)節(jié)實現(xiàn)模塊
4、連續(xù)系統(tǒng)模型建立庫（9個）
連續(xù)傳遞函數(shù)模型建立模塊、連續(xù)零極點增益模型建立模塊、連續(xù)狀態(tài)空間模型建立模塊、連續(xù)比例環(huán)節(jié)建立模塊、連續(xù)積分環(huán)節(jié)建立模塊、連續(xù)微分環(huán)節(jié)建立模塊、連續(xù)一階慣性環(huán)節(jié)建立模塊、連續(xù)比例微分環(huán)節(jié)建立模塊、連續(xù)二階閉環(huán)系統(tǒng)建立模塊
5、離散系統(tǒng)模型實現(xiàn)庫（5個）
離散傳遞函數(shù)模型實現(xiàn)模塊、離散零極點增益模型實現(xiàn)模塊、離散狀態(tài)空間模型實現(xiàn)模塊、采樣開關(guān)模塊、零階保持器模塊
6、離散系統(tǒng)模型建立庫（3個）
離散傳遞函數(shù)模型建立模塊、離散零極點增益模型建立模塊、離散狀態(tài)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(lián)連接模塊、串聯(lián)連接模塊、時域圖模塊
8、圖形生成庫（9個）
時域圖模塊、連續(xù)零極點圖模塊、連續(xù)根軌跡圖模塊、連續(xù)Bode圖模塊、連續(xù)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(tǒng)分析庫（17個）
數(shù)據(jù)輸出模塊、典型二階系統(tǒng)動態(tài)特性分析模塊、動態(tài)性能分析模塊、根軌跡分析模塊（默認(rèn)值）、根軌跡分析模塊、頻率特性分析模塊、對數(shù)頻率特性分析模塊（默認(rèn)值）、對數(shù)頻率特性分析模塊、幅相頻率特性分析模塊（默認(rèn)值）、幅相頻率特性分析模塊、穩(wěn)定裕度分析模塊、特征值求解模塊、狀態(tài)方程線性轉(zhuǎn)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(tài)觀測器模塊。
使用現(xiàn)有器材模型系統(tǒng)提出了如下15個實驗的訓(xùn)練：
★1)典型輸入信號產(chǎn)生
★2)典型環(huán)節(jié)時域分析研究
★3)典型二階系統(tǒng)時域分析研究（一）
★4)典型二階系統(tǒng)時域分析研究（二）
★5)典型三階系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性研究
★6)線性定常系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析
★7)線性系統(tǒng)的根軌跡分析
★8)典型環(huán)節(jié)的頻率特性分析研究
★9)線性系統(tǒng)時域法串聯(lián)校正
★10)線性系統(tǒng)頻域法串聯(lián)超前校正
★11)線性系統(tǒng)頻域法串聯(lián)滯后校正
★12)線性系統(tǒng)PID校正
★13)采樣控制系統(tǒng)分析
★14)采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)校正
★15)線性系統(tǒng)的狀態(tài)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(xué)系統(tǒng)
本產(chǎn)品是針對各類大中專院?！哆^程控制》實驗課程配套開發(fā)的可在網(wǎng)上開展基于C/S架構(gòu)的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬機技術(shù)仿真實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學(xué)輔助功能，包括：實驗前的預(yù)習(xí)、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學(xué)安排、實驗過程的指導(dǎo)、實驗結(jié)果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能，為實驗教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。可滿足各類大中專院?！哆^程控制》課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠(yuǎn)程教學(xué)。
過程控制系統(tǒng)適用專業(yè)：自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器及自動控制類相關(guān)專業(yè)。
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過程控制系統(tǒng)軟件界面
系統(tǒng)提供了6個庫，38個過程控制系統(tǒng)模塊
★1.信號源庫(共6個)
連續(xù)階躍信號模塊、連續(xù)斜坡信號模塊、連續(xù)加速度信號模塊、連續(xù)正弦信號模塊、連續(xù)方波信號模塊、常數(shù)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(yīng)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(tài)空間模塊、傳遞函數(shù)模塊、零點極點增益?zhèn)鬟f函數(shù)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(tài)空間分析模塊、傳遞函數(shù)分析模塊、零點極點增益?zhèn)鬟f函數(shù)分析模塊、純時間延遲分析模塊
★6.數(shù)學(xué)運算庫(共3個)
加法模塊、減法模塊、增益模塊
使用現(xiàn)有器材模型系統(tǒng)提出了如下12個實驗的訓(xùn)練：
★1)常見過程模型的動態(tài)特性研究
★2)PID控制算法研究
★3)PID控制器參數(shù)整定
★4)串級與單回路控制對比仿真
★5)串級控制的參數(shù)整定仿真
★6)串級控制系統(tǒng)設(shè)計仿真
★7)比值控制系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)整定
★8)前饋控制系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)整定
★9)純滯后控制系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)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(xué)系統(tǒng)
該虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)采用三維仿真+控制算法編程的技術(shù)開發(fā)而成，學(xué)生可在場景中全方位觀察設(shè)備的構(gòu)造，結(jié)合Matlab語言編程技術(shù)，學(xué)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(tǒng)采用平面和三維結(jié)合的實驗界面，三維技術(shù)展現(xiàn)被控對象及實驗效果，系統(tǒng)還提供繪制被控系統(tǒng)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(yīng)實驗效果的觀察，有助于提高學(xué)生控制系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)調(diào)試的能力。學(xué)生還可通過系統(tǒng)的保存功能將實驗?zāi)_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(tǒng)的使用說明。
實驗項目
4 電機轉(zhuǎn)速控制虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)
電機轉(zhuǎn)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(xué)而研制開發(fā)的一個軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，為自動控制原理實驗教學(xué)構(gòu)建了一個全新的實驗環(huán)境。在該環(huán)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(shè)計實驗。
綜合運用了最新的設(shè)計思想和多種關(guān)鍵技術(shù)，使之在整體結(jié)構(gòu)、操作方式、界面設(shè)計和結(jié)果顯示等方面技術(shù)特色突出。系統(tǒng)強調(diào)將互動的可視化操作貫穿于整個實驗過程，充分激發(fā)個人的創(chuàng)作靈感，使學(xué)生可以根據(jù)各自的創(chuàng)意去構(gòu)思、驗證各種個性化的設(shè)計方案，自主完成實驗的全過程。
實驗項目