系统仿真实验教学大纲

系统仿真实验教学大纲（精选8篇）

系统仿真实验教学大纲 篇1

利用计算机仿真系统 提高化工专业实验教学效果

本文以CO中低温变换仿真实验操作为例,介绍了化工计算机仿真系统及其在化学工程与工艺专业实验教学中的应用.将化工仿真技术引入到实践教学中,较好的`解决了学生实验脱离实际、工厂实习不能动手的矛盾,收到良好的效果.

作 者：尚年 作者单位：泰山医学院,271016刊 名：中国科技信息英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：2009“”(3)分类号：G71关键词：计算机仿真系统 化工专业实验 教学效果

系统仿真实验教学大纲 篇2

关键词：信号与系统,Matlab,实验仿真教学,Simulink

0 引 言

信号与系统的基本概念、基本理论与分析方法在不同学科、专业之间有着广泛应用和交叉渗透[1]。“信号与系统”课程[2,3]作为电气信息类专业的学科基础课程[4],在专业教育中有着非常重要的地位。由于该课程自身的特点[5,6],决定了其是一门数学方法、专业理论、分析方法和工程应用密切相结合的课程,不仅要求学生能灵活地应用多种数学方法解决专业理论问题,而且还强调工程上的应用与实践,因此对理论教学和实验[7]都提出了很高的要求。

目前,信号与系统课程实验的实验方法和手段大都还局限在硬件实验上,实验内容、实验方法和手段上均不够深入和灵活,难以满足对理论教学上的支持和工程实践上的要求。为了使学生能更好地理解信号与系统的基本概念、基本理论与分析方法及其应用,克服硬件实验的限制以及实验条件投入的不足,有必要对“信号与系统”实验教学进行改革研究,建立软件仿真实验系统,拓展实验教学的内容和灵活性,使学生有能力进行软件仿真实验,突出学生实践能力和创新能力的培养。

1 系统开发工具简介

Matlab是美国MathWorks公司推出的优秀的科技应用软件。Matlab功能强大,可以进行数值计算和符号计算,编程界面友好,语言自然,开放性强,而且有众多的工具箱可以使用。将Matlab软件用于工程应用和解决实际问题[8],可以不必关心复杂的理论,具有编程快捷方便的特点。

Simulink是Matlab软件的扩展,是对系统进行建模、模拟和分析的软件。Simulink以模块为单元,通过模块之间的连接和属性的设置,进行系统模拟和仿真分析[9]。它的模块库包括连续模块、离散模块、信号和系统模块、数学模块以及信号源模块等。而且模型具有层次性,可以通过底层的子模块构建复杂的上层模块。

该实验系统开发工具采用Matlab和Simulink完成仿真系统的设计与开发。

2 仿真系统设计

2.1 系统设计思路

在系统设计方面采用自上而下的设计方法,对实验内容进行分类,层层推进。该系统采用模块的方式,将实验内容分为3大类、14个子类,围绕基础型、综合提高型和研究创新型3个层次,设计实验内容。每个模块均有开发扩展接口,便于二次开发。同时,充分考虑了教师的教学规律和学生的认知规律,具有引导性和启发性,而且实验内容与理论课程教学内容同步,便于学生理解。

该实验系统采用灵活的软件实验来代替硬件实验的方式,弥补了硬件实验的不足之处。在实验仿真系统中给出了大量的图形,并辅以文字说明,做到图文并茂,使得理论课程的教学内容在实验中进行时变得直观、清晰,易于理解。

2.2 实验内容设计

在实验内容方面,从基础型实验、提高型实验和创新研究型实验三个层次,结合工程应用进行设计。注重学生能力的培养和素质的提高。实验内容涵盖实验课程的全部内容,包括连续系统的时域、频域、复频域分析和离散系统的时域、Z域分析以及综合实验部分即系统分析与仿真。实验系统不仅介绍理论内容的实验仿真,而且真正做到理论联系实际,部分实验内容(如通信系统仿真、信号频谱搬移等)与现实生活紧密结合,贴近生活,具有丰富的时代气息,从而使学生学会用信号与系统的观点和方法来解决实际问题,真正做到学以致用,从各方面培养学生的创新能力和实践能力。

实验内容详细设计说明如下:

(1) 连续系统的时域分析包括信号的时域运算和二阶系统时域分析(见图1)。该部分属于基础性实验内容,可以通过选择不同类型的信号进行时域运算。在系统时域分析方面,以二阶系统为例,要求掌握系统响应的时域求解方法。

(2) 频域分析包括常用信号的傅里叶变换以及傅里叶变换的性质,作为频域分析的重要应用,抽样与恢复部分包括信号的抽样与重构。该部分实验属于综合提高型,是通信系统仿真的基础。

(3) 信号分析以方波的合成与分解为例,重点讨论信号的合成、分解方法,一步一步完成,每一步都有具体的图形与信号合成(分解)的效果,步骤清晰,便于学习。信号分析中的双边带信号频谱,以通信系统为例,介绍频谱搬移的过程,同时联系生活实际。该实验与工程应用紧密结合,讨论信号频谱的搬移过程和方法,只需鼠标点击和拖曳即可完成实验,操作简单,图形直观,形象生动。

(4) 复频域分析包括系统的零极点分析、稳定性分析以及系统响应。该部分属于提高型实验,从S域分析系统,并与工程应用中实际系统的稳定性相结合;

(5) 离散系统时域部分包括离散信号的时域运算如信号的加、减、乘。

(6) 离散系统的时域分析包括差分方程的求解,并重点讨论序列卷积的计算及说明,如图2(a)所示;

(7) 离散系统Z域分析包括零极点求解、频率特性、序列的响应和稳定性分析等,如图2(b)所示;

(8) 信号与系统的综合分析包括系统分析和系统仿真,采用Matlab软件的Simulink仿真完成,以系统框图的形式完成实验,功能强大,操作方便。时域分析部分内容包括一阶、二阶系统的时域特性仿真分析(见图3);频域仿真分析属于研究创新型实验,采用系统仿真的方式,以频谱搬移过程的系统仿真为例进行,但对复杂的通信系统进行仿真,可以查看各个框图、部件的时域波形、频域的频率特性,对信号与系统的实际应用有充分的了解和认识。具体实验内容及安排见表1。

2.3 系统界面设计

实验仿真教学系统界面设计中,避免繁琐,崇尚简洁,亲切自然,因而界面直观、清晰,导航方便,具有良好的人机交互页面,能够非常容易的找到需要的实验内容;同时色彩搭配柔和,给人朴实、安静而又进取的感觉,有利于集中精力进行教学和学习。实验内容部分页面和系统分析与仿真页面如图4所示。

3 系统特点

“信号与系统”实验仿真教学系统内容全面,包含“信号与系统”课程实验的全部主要内容和知识点,教师与学生可以用软件来完成实验内容的教学和学习,有助于学生加强对课程基本概念和重点、难点的理解和掌握,而且不受时间和空间的限制,便于实验教学工作的开展。

该系统具有二次开发功能。该系统在使用中可以结合实际情况,给教师和学生提供程序源代码,教师和学生可以进一步补充和完善实验内容,也可以添加新的实验内容由学生来完成。因而,学生具有更多的发挥空间,更有利于发挥主观能动性。

4 结 语

“信号与系统”实验仿真教学系统,内容全面、翔实,是集计算机技术和现代教育技术手段于一体的多媒体实验教学系统,便于教师进行课堂实验教学和学生软件实验的学习。

通过近三年的实验教学使用,采用该实验仿真系统,避免了硬件实验过程中的不确定性因素的影响,实验灵活方便,有利于拓展学生的思维能力和想象空间,为信号与系统课程的实验教学工作提供有力保障。

参考文献

[1]金波.信号与系统课程教学改革初探[J].电气电子教学学报,2007,29(4):7-8,11.

[2]奥本海姆.信号与系统(英文版)[M].2版.北京:电子工业出版社,2009.

[3]吴大正.信号与线性系统分析[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

[4]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京:高等教育出版社,1998.

[5]郑君里.教与写的记忆:信号与系统评注[M].北京:高等教育出版社,2005.

[6]徐守时.信号与系统理论、方法和应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2008.

[7]刘锋,段红,熊庆旭,等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理,2008,25(3):118-120.

[8]王洁丽,贾素梅,薛芳.Matlab软件在信号与系统辅助教学中的应用[J].现代电子技术,2007,30(6):123-125.

系统仿真实验教学大纲 篇3

摘要：地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心通过虚拟现实、对地观测系统、地理信息系统、人机交互等技术，构建高度仿真的地球系统科学虚拟实验环境和实验对象，不仅解决了诸多地学现象的高风险、不可见、不可达，而且也解决了地球科学野外实习受经费、设备等条件的限制。经过多年的建设，中心软硬件设施齐全，虚拟仿真实验教学资源丰富，管理运行措施得力，实验教学效果明显，在地理学、地质学、大气科学、海洋科学等地球科学创新人才培养的过程中发挥了积极作用。

关键词：地球系统科学；虚拟仿真；实验教学；创新人才培养

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业发展与信息技术深度融合的产物。它依托虚拟现实、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲要求的教学目的。虚拟仿真实验教学中心的建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，它的建设体现了虚实结合、相互补充的原则。在涉及高危或极端环境，不可及或不可逆操作，高成本、高消耗或大型综合训练等情况时，提供可靠、安全、经济的实验项目。通过重点开展队伍、平台、资源和制度等方面的建设，形成高效持续服务实验教学、保证优质实验教学资源开放共享的有机整体。

一、地球系统科学虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

（1）地球内部圈层包括地核、地幔、地壳，外部圈层包括水圈、生物圈、大气圈等，各圈层之间，即使地表的陆地与海洋之间，都存在着物质与能量的交换，是一个复杂的巨系统。地球探测技术、对地观测系统、地理信息系统、卫星定位技术、计算机、互联网等现代信息技术，为地球系统科学的教学提供了虚拟实验手段。通过构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生可在虚拟环境中开展地球系统科学实验，为探索复杂的地球系统提供了极具价值的途径。

（2）虚拟仿真实验教学，与课堂教学、野外观测、科研训练一样，都是地球系统科学极其重要的学习手段。地学专业都需要进行大量的实践教学，但是由于学生数量、实验空间、教学成本等客观条件的限制，难以全面开展现场实践教学，虚拟仿真实验教学手段非常重要。板块漂移、青藏高原隆升、水文剥蚀、气候变化等大空间尺度、大时间跨度的地学过程也只能以虚拟仿真的方式进行教学。

（3）对于地球系统科学而言，诸多现象、特征和规律的认知，充满着高风险、不可見、不可达，甚至难以想象，虚拟仿真实验教学手段尤为重要。地震、火山、台风、滑坡、泥石流、洪涝灾害等地学现象具有高度的危险性，温室效应、全球变暖等全球变化事件人类不可见，地核、地幔等地球圈层人类不可达，大气环流、臭氧层破坏等气象气候现象人类难以想象，因此，只能通过虚拟仿真的教学手段开展相应的人才培养。

（4）虚拟仿真实验教学是信息时代数据共享、知识共享的必然要求，有利于拓展地球系统科学知识传播的广度和深度。地球系统科学数据是典型的大数据，具有海量、多源、多时相等特征。在互联网、云计算技术的支持下，建设地球系统科学虚拟仿真实验教学中心，必将使人才培养水平更上一层楼，顺应时代的发展潮流。

二、实验教学资源建设

南京大学地球系统科学虚拟仿真实验教学中心以计算机、地理信息技术等为手段，引进与自主研发相结合，开发虚拟仿真平台软件，支撑地球系统科学虚拟仿真实验教学，与课堂教学、现实实验、野外实践一起，培养学生认识、分析、发展地球系统科学的能力。目前建设了地球系统虚拟仿真、地球动力系统仿真、地表过程虚拟仿真、海洋变化虚拟仿真、大气系统虚拟仿真五个专题实验室和一个虚拟仿真技术支持实验室。经过十余年的建设与发展，2016年被教育部批准为地球系统科学国家级虚拟仿真实验教学中心。

在南京大学“三三制”教学改革与人才培养要求指引下，开设了认识地球、地质学实习、数值天气预报、虚拟地理环境、遥感与地理信息系统、GIS设计、虚拟现实、地表过程认知实习、地球系统建模等多门实验课程，大部分包含虚拟仿真实验教学内容。通过教学资源建设、科研成果转化、校企合作等方式开展虚拟仿真实验教学，建设了“仿真展示、动态模拟、过程调节”三大类型的虚拟仿真实验项目。

（1）地震过程仿真。地震是地球内部某些部分突然急剧运动而破裂，从而释放巨大能量，并引起周边一定范围内地面震动的过程，高震级地震有极强的破坏性。岩层断裂产生的强烈震动以波的形式自震源向各个方向传播，地震波分为纵波、横波和面波，面波只能沿地球表面传播，而纵波和横波能在地球内部传播。地震过程仿真对地震成因、地震过程以及地震波传播进行生动形象地动态模拟，学习了解地震的成因、过程和地震波的传播方式有助于增强学生对地震的全方位认识和学习，提高地震灾害预防的意识，培养学生对于地震灾害预测的科研兴趣。

（2）火山活动仿真。火山活动是典型的地球内部动力地质活动，其成因和形态复杂多变，由于难以靠近等现实原因，学生对于火山活动难以获得直观、感性的认识。火山是地下深处高温岩浆及有关气体、碎屑从地壳中喷出而形成的特殊形态的地质体，是地球内部能量释放的一种自然现象。火山喷出物在通道口堆积形成的锥形山丘称为火山锥，火山锥顶部漏斗状的洼地称为火山口。通过虚拟仿真手段，将同时涉及地幔、地壳、地表以及底层大气等一系列地球系统复杂的作用过程直观形象地表达出来，并对不同火山类型及其后续产生的火山地貌进行动态展示，大大提高了学生的兴趣和积极性，提升了学习效果，有助于加强学生对火山机理的深入了解。

（3）海啸传播过程模拟。绝大部分海啸是由海底地震引起的。海啸数值模拟主要采用COMCOT模式，对于深海海啸，海啸振幅远小于水深，采用基于球面坐标系的线性浅水波方程；当海啸传播到近海时，则采用直角坐标系的非线性浅水波方程。该模式能够有效模拟整个海啸的生命过程，包括它的产生、传播、抬升和漫滩。本实验主要模拟中国最主要的海啸源一一地处南海的马尼拉海沟发生地震时所引发海啸的传播过程，学生可通过设置不同参数和条件，分析震源位置、深度、震级、断层特性等对海啸的影响，理解海啸的传播特点。endprint

（4）全球碳循环虚拟仿真。通过FUSION软件观察林冠结构，准备基础数据，设置参数，运行Beps-Hydr模型和全球碳同化模型GCAS，观察叶面积指数、净初级生产力与生态系统生产力在全球不同地区的分异状况，使学生思考其分异规律及其与全球植被空间分异之间的相互关系。观察全球碳循环的时空分布和变化状况，思考碳循环动态变化与全球陆地生态系统分布及全球变化的联系。实验目的是通过“自上而下”与“自下而上”的全球碳循环虚拟仿真，学习碳循环建模与同化方法，理解全球碳循环机制。

（5）数字高程模型构建。数字高程模型（DEM）是在一定范围内通过规则格网点描述地面高程信息的数据集，用于反映区域地貌形态的空间分布。借助地理信息系统软件，基于高程点创建不规则三角网，生成数字高程模型，构建三维地形场景，分析地形地貌特征，并可实现三维场景的虚拟仿真漫游。通过体验数字高程模型的构建过程，使学生加深了解数字高程模型构建的原理和方法。通过地形剖面分析、坡度分析、坡向分析、三维漫游，使学生理解不同地貌特征在数字高程模型中的表现形式，有助于学生能更好地掌握地形分析相关技术。

（6）地物三维建模。通过现场教学的方式，使学生掌握测绘基础理论与外业流程，通过校园主体建筑物的数据采集，熟练操作激光扫描仪、GPS定位仪、全站仪等仪器，获得三维激光点云数据。指导学生掌握地面LiDAR点云匹配、噪声滤除、特征提取、多源数据融合等数据处理手段，熟练操作LiDAR数据处理软件，并引导学生针对航空与地面点云集成、建筑物点云提取等关键技术开展相关实验。利用地形、建筑物、植物等典型地物的三维模型重建以及模型纹理贴图，培养学生掌握三维建模工具，提升实践动手能力，构建精细三维实景模型。运用计算机图形学原理，结合平台先进的三维引擎，设立地理加权预加载的大数据量实时渲染技术等研究方向，进行软件开发实践，培养学生的软件开发能力。有利于学生深入理解激光数据采集和点云生产的关键技术和过程，帮助学生掌握基于激光点云数据的高精度地物提取与建模方法，引导学生学习地物三维建模与可视化技术。

（7）虚拟庐山地理环境。该虚拟仿真系统提供数字地形（DEM、等高线）、高分辨率遥感影像和地质图三类基础数据，包含景点景区、旅游胜地、特殊地形地貌等多个兴趣图层，融合了地理信息与虚拟仿真技术，实现庐山自然和人文地理要素的数字化、地理过程的三维动态模拟、地理要素的三维空间分析、地理信息集成管理和专题成果自动制图等功能。实验目的是将庐山地理学野外实习与虚拟庐山地理环境相结合，使学生对庐山地理环境与人文景观有更深刻的认识；通过野外数据自动采集、位置服务、空间分析、三维地形可视化等功能的操作，提升学生对不同尺度的地表过程与格局的认知和分析能力，有助于培养学生对所学知识的综合应用与创新思维能力。

（8）流水地貌演化仿真。由于流水地貌演化过程耗时漫长，现实生活中仅能观测到该演化过程中的某个阶段，难以快速、直观地掌握全局性的流水地貌演化机理。通过虚拟仿真手段，能够从大的时间尺度进行观察，使学生把地貌形态和水文、泥沙及水力因素结合起来，认识流水地貌形成、发育的物理过程。通过流水地貌演化仿真，学生对流水侵蚀作用地貌、堆积作用地貌和冲积扇地貌等有了全方位的理解，能够结合内力作用和外力作用分析河曲、牛轭湖与阶地的成因、形态及演化过程，并认识到河流变迁对沿岸人类活动的影响，提高学生综合运用知识的能力。

（9）滑雪场选址模拟。滑雪场选址，要求满足滑雪场建设的地形条件、擁有一定的游客数量、交通条件便利的重点区域等。准备区域地形、人口、交通线路等数据，并用叠置分析找出同时满足人口、交通、地形条件且避让自然保护区的地区。通过不断更改、优化相关参数，模拟不同参数条件下的滑雪场情景，在线提交操作结果并获得评价，最终确定滑雪场建设的备选地。通过该实验的体验操作，学生可以掌握以矢量数据为基础，应用空间查询、缓冲区、地形、叠加等空间分析技术解决滑雪场等相关选址问题。

（10）地表降雨径流模拟。降雨径流过程是地球表层系统重要过程之一。该系统基于栅格单元分别建立土壤下渗模型、坡面产流和汇流模型，以及河道汇流模型；根据降雨资料和模型参数进行模型运算，得出流域内每一栅格的产流过程和汇流过程以及出口断面的流量过程。在此基础上，利用虚拟现实技术，将模拟的空间水文过程（如降雨、下渗、产流量、径流量等）进行三维动态显示。学生通过设置不同模型及参数，可深入理解不同的水文过程特征；实现流域空间水文过程三维显示的缩放、旋转、飞行漫游等交互功能，以便进行多比例尺、多角度的观察分析；也可以通过键盘操作改变漫游路线、视点位置及视角，产生一定程度的沉浸感。这样有助于学生深刻理解降雨、蒸发、下渗、产流、汇流的空间水文过程及其影响因素。

（11）梅雨锋运动模拟。梅雨一般发生于每年的6月中下旬至7月上旬，梅雨锋降水带可长达数千公里，横贯东亚和西太平洋地区。以2014年7月11-13日的一次梅雨过程为例，用WRF模式对梅雨锋降水带进行虚拟仿真模拟。通过对梅雨锋降水带的虚拟仿真实验，加深学生对梅雨锋降水带尺度与强度的认识，了解数值预报对此类系统的预报能力。通过三维结构剖析，进一步使学生了解梅雨锋降水带组织化形成过程，认识梅雨锋暴雨形成的可能机制。

（12）台风运动模拟。通过野外观测实验认识台风具有较高的难度和危险性。以2014年9月16日在海南和广西登陆的海鸥台风为例，用WRF模式进行虚拟仿真模拟。实验目的是通过台风内部环流结构特征的数值模拟和三维显示，认识台风结构，理解台风发展和维持机制。通过对台风的数值模拟仿真演示，使学生了解数值预报对台风系统的预报能力，加强对台风降雨带结构的认识。并经轨迹追踪分析，使学生形象地认识到台风内部的三维环流结构特征，为理解台风发展和维持机制打下基础。

三、特色与创新

（1）以事前野外实地观测、事后野外实地验证为基础。地球系统科学的虚拟仿真不同于其他学科，具有非常强的现实性，必须体现虚拟世界与真实世界的映射关系，因此，地球系统科学虚拟仿真建立在大量野外实习、野外观测与真实性检验的基础上，充分体现“虚实结合”的建设原则。经过多年的发展，南京大学已经牵头建成了庐山国家重点地理学实习基地，以及巢湖、阿尔卑斯山、贝加尔湖等著名的地学野外实习基地，积累了大量的野外实习数据。基于内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室、计算机软件新技术国家重点实验室、海岸与海岛开发教育部重点实验室、中尺度灾害性天气教育部重点实验室的软硬件条件，利用全站仪、激光扫描仪、野外光谱仪、质谱分析仪、多普勒雷达等先进仪器设备获取了大量野外实地观测与真实性检验数据，为地球科学虚拟仿真提供了坚实的数据基础。

（2）实现了多圈层、多过程、多尺度、多时相虚拟仿真。地球系统科学虚拟仿真不仅要模拟地球演化、地幔对流、海平面升降、气候变化等大尺度地学过程，也要模拟地震海啸、地表覆盖变化、冰雪消融、降雨过程等中尺度地学现象，还要对潮沟、建筑物、树木等小尺度对象进行三维建模。涉及的时间范畴既包括地球形成和演化的地质年代，包括地表剥蚀和物质运移的第四纪，也包括气候变暖和极地冰盖消融的当代，还包括模拟预测气候变化和海平面升降的未来。涵盖岩石圈、地球表层和大气圈，包括固体地球、地表物质运移、海洋变化、天气变化等重要地学过程。整个地球的圈层系统相互交叉，地理、海洋、地质、大气四大学科相互融合，跨学科的地球系统科学虚拟仿真实验教学中心的建设，有利于培养综合型、宽基础、创新性、高水平的地球系统科学领军人才。

系统仿真实验教学大纲 篇4

实验名称：单相桥式全控整流电路仿真 实验时间：2018.5.11 班级：自动化2班 姓名：

学号 1.实验目的

利用SIMULINK仿真平台绘制仿真电路，通过设置模型参数，来观测仿真结果。通过改变晶闸管的控制角，可以调节输出直流电压和电流的大小。

2.仿真模型及参数设置

Scope1-+Current MeasurementScope2mInMeanmAC Voltage Source12kk+v-ThyristorggaaThyristor1Mean ValueScope4Voltage MeasurementLinear Transformer+Series RLC Branch1v-Voltage Measurement1Scopemkm0Constantalpha_degABThyristor2gagkThyristor3aBCCApulsesScope30Constant1BlockSynchronized6-Pulse GeneratorTerminator

交流电压源AC，电压为220V,频率为50Hz，初始相位为0°

变压器参数一次电压为220V（有效值）。二次电压为100V（有效值）晶闸管VT1~4直接使用模型默认参数 负载RLC选择RL。R为0.5，L为10e-3 脉冲发生器同步频率为50Hz，脉冲的宽度为10°

3.仿真过程及结果分析 4.4.总结

物理教师谈虚拟仿真实验教学 篇5

随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学中的 运用越来越广泛。日前教育部批准了清华大学数字化制造 系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心，一些中学也开始建设自己的虚拟仿真实验室，虚拟实验教学得到越来越多的老师的重视。

虚拟仿真实验教学在物理、化学、医学等学科上的运用较普遍，它能部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。一些物理老师表示，现在学校提供的实验条件

有限，虚拟实验虽然不能更好地体会动手能力，但对学习这些以实验为主的学科，是一个很好的补充，尤其能反复进行实验。比如在“NB电磁学实验”软件中，灯泡烧坏了可以修复继续使用，而在传统实验中学生基本不允许体验灯泡烧坏的场景。在传统实验中，比如单摆实验，做一次，铁球就少几个，缺失了不能及时补充，导致后面的同学根本做不了，这也是为什么很多学校的实验室成为摆设的原因。

系统仿真实验教学大纲 篇6

中国人民大学基于大数据文科综合训练虚拟仿真实验教学中心教育部 清华大学 材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心教育部 北京交通大学交通运输国家级虚拟仿真实验教学中心教育部 北京化工大学化工过程虚拟仿真实验教学中心教育部 北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心教育部

中国农业大学机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心教育部 中央美术学院艺术、设计与建筑虚拟仿真实验教学中心教育部 华北电力大学电力工业全过程仿真实验教学中心教育部 南开大学 经济虚拟仿真实验教学中心教育部 天津大学 化学化工虚拟仿真实验教学中心教育部 大连理工大学化学虚拟仿真实验教学中心教育部 东北大学 机械装备虚拟仿真实验教学中心教育部

吉林大学 地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心教育部 东北师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心教育部 东北林业大学森林工程虚拟仿真实验教学中心教育部 同济大学力学虚拟仿真实验教学中心教育部

上海交通大学机电学科虚拟仿真实验教学中心教育部

华东理工大学石油和化工过程控制工程虚拟仿真实验教学中心教育部 东华大学 管理决策虚拟仿真实验教学中心教育部

南京大学 社会经济环境系统虚拟仿真实验教学中心教育部 东南大学 机电综合虚拟仿真实验教学中心教育部

河海大学 力学与水工程虚拟仿真实验教学中心教育部 南京农业大学农业生物学虚拟仿真实验教学中心教育部 中国药科大学药学虚拟仿真实验教学中心教育部 浙江大学 化工类虚拟仿真实验中心教育部 厦门大学 机电类虚拟仿真实验教学中心教育部 山东大学 医学虚拟仿真实验教学中心教育部

武汉大学 电力生产过程虚拟仿真实验教学中心教育部 武汉理工大学水路交通虚拟仿真实验教学中心教育部 华中师范大学心理与行为虚拟实验教学中心教育部 中南财经政法大学经济管理行为仿真实验中心教育部 湖南大学 机械工程虚拟仿真实验教学中心教育部

中南大学 矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心教育部 中山大学 医学虚拟仿真实验教学中心教育部

华南理工大学机械工程虚拟仿真实验教学中心教育部 四川大学 华西临床虚拟仿真实验教学中心教育部

重庆大学 能源与动力电气虚拟仿真实验教学中心教育部 西南交通大学交通运输虚拟仿真实验教学中心教育部

电子科技大学电子与通信系统虚拟仿真实验教学中心教育部 西南大学 药学虚拟仿真实验教学中心教育部

西南财经大学现代金融虚拟仿真实验教学中心教育部

西安交通大学通信与信息系统虚拟仿真实验教学中心教育部

西安电子科技大学电子信息与通信虚拟仿真实验教学中心教育部 长安大学 道路交通运输工程虚拟仿真实验教学中心教育部 陕西师范大学化学虚拟仿真实验教学中心教育部 兰州大学 化学化工虚拟仿真实验教学中心教育部

中国石油大学（华东）石油勘探开发工业虚拟仿真实验教学中心教育部 中国矿业大学 采矿工程虚拟仿真实验教学中心教育部

中国地质大学（武汉）矿产资源形成与勘查开发虚拟仿真实验教学中心教育部 哈尔滨工业大学市政环境虚拟仿真实验教学中心工信部 北京航空航天大学航空科学技术虚拟仿真实验中心工信部 北京理工大学武器系统虚拟仿真实验教学中心工信部

哈尔滨工程大学核科学与技术虚拟仿真实验教学中心工信部 南京理工大学现代制造企业虚拟仿真实验教学中心工信部

西北工业大学机械基础与航空制造虚拟仿真实验教学中心工信部 中国人民公安大学公安执法虚拟仿真实验教学中心公安部 中国人民武装警察部队学院消防虚拟仿真实验教学中心公安部 中国科学技术大学物理虚拟仿真实验教学中心中科院 大连海事大学海运工程虚拟仿真实验教学中心交通部 中国民航大学机务维修工程仿真教学中心民航局 北京工商大学经济管理虚拟仿真实验教学中心北京 北京工业大学土木工程虚拟仿真实验教学中心北京 北京建筑大学建筑全过程虚拟仿真实验教学中心北京 北京石油化工学院石化工程仿真教学与实践中心北京 天津中医药大学中医学虚拟仿真实验教学中心天津 天津工业大学纺织虚拟仿真实验教学中心天津 大连交通大学轨道车辆虚拟仿真实验教学中心辽宁

长春理工大学计算机信息安全与网络攻防虚拟仿真实验教学中心吉林 哈尔滨商业大学现代企业商务运营虚拟仿真实验教学中心黑龙江 东北石油大学石油与天然气工程虚拟仿真实验教学中心黑龙江 上海中医药大学中医药虚拟仿真实验教学中心上海 上海海事大学航海虚拟仿真实验教学中心上海

南京邮电大学网络通信与控制虚拟仿真实验教学中心江苏 南京师范大学虚拟地理环境实验教学中心江苏

南京信息工程大学大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心江苏 常州大学化工虚拟仿真综合实训中心江苏

杭州电子科技大学电子信息技术虚拟仿真实验教学中心浙江 宁波大学土木工程虚拟仿真实验教学中心浙江 浙江工业大学化学化工虚拟仿真实验教学中心浙江 浙江理工大学服装设计虚拟仿真实验教学中心浙江

福建师范大学生物技术与生物化工虚拟仿真实验教学中心福建 福州大学企业经济活动虚拟仿真实验教学中心福建 南昌大学力学与工程虚拟仿真实验教学中心江西

山东建筑大学建筑工程及装备虚拟仿真实验教学中心山东 山东科技大学煤矿安全开采虚拟仿真实验教学中心山东 烟台大学工程力学虚拟仿真实验教学中心山东

武汉科技大学冶金工业过程虚拟仿真实验教学中心湖北 中南林业科技大学森林防火虚拟仿真实验教学中心湖南 长沙理工大学电力生产与控制虚拟仿真实验教学中心湖南 广东财经大学企业综合运作虚拟仿真实验教学中心广东 南方医科大学医学形态学虚拟仿真实验教学中心广东 成都医学院医学虚拟仿真实验教学中心四川

西南石油大学油气开发虚拟仿真实验教学中心四川 贵州财经大学经济管理虚拟仿真实验教学中心贵州 重庆科技学院钢铁制造虚拟仿真实验教学中心重庆

西北大学文化遗产数字化保护虚拟仿真实验教学中心陕西 第三军医大学军事作业医学虚拟仿真实验教学中心解放军 国防科学技术大学数理虚拟仿真实验教学中心解放军

系统仿真实验教学大纲 篇7

数字积分法插补算法、插补原理是《计算机数控技术》最重要的一部分教学内容。实物实验教学存在数控设备短缺、实验地点和实验时间受限等不足,学生只能在限定的时间内完成规定的实验操作,不利于培养学生的自主创新能力,虚拟仿真实验教学恰好弥补了这一不足。鉴于Lab VIEW具有可视化的编程环境和流程图式的编程风格、内置高效的程序编译器、灵活的程序调试手段、功能强大的数据处理和分析函数库等特点,为增强实验教学内容的实践性和交互性,本文采用Lab VIEW开发数字积分法插补仿真实验平台,充分拓展实验教学的内容、形式、空间与时间,使学生在对插补算法感性认识的基础上进一步深化所学知识,理解数字积分法插补原理的精髓所在,增强实验教学的灵活性和生动性;而且通过拓展接口引导学生进行算法的改进,培养学生的自主研发能力和工程创新能力,使教学和科研有机地结合起来。

2数控插补虚拟仿真教学平台的功能需求分析

插补是数控系统的重要功能,教师在讲授该部分内容时,希望学生在对插补概念及插补原理理解的基础上,深刻体会插补的流程及零件数控加工的实质内涵,虚拟仿真教学平台的主要功能是用来辅助课堂教学,不仅能形象生动地模拟单象限直线和圆弧插补,而且能实现跨象限的直线和圆弧插补功能,提高插补流程的直观性和真实性,便于学生形象地获取知识、激发学习热情,取得较好的教学效果。另外,学生可以不受实验设备、实验时间与空间的限制,自由发挥,按照个人兴趣和爱好自主进行探索性实验,开展其他设计性、验证性或综合性拓展实验,便于培养学生的创新意识和工程创新能力。

3字积分法插补虚拟仿真实验教学平台的设计与实现

3.1数字积分法插补仿真实验教学平台的设计

数字积分法插补仿真实验教学平台采用模块化设计思路,以便对模块进行修改和调用,根据功能需求分析可知需要分别实现直线和圆弧插补功能,设计的数字积分法插补仿真实验教学平台。在每个功能模块内主要包括初始化模块、插补速度控制模块和插补过程实时显示模块,其中初始化模块用于插补运算基本数据(直线起点、终点坐标;圆弧圆心、起点、终点坐标;进给速度等)的输入、顺逆圆弧的选择、插补仿真过程的启动和系统时间的显示,采用数值输入控件和布尔型控制控件来实现该功能;插补速度控制模块用于插补速度调节和插补时间的显示;插补过程实时仿真显示模块采用XYGraph、波形图、数组与数值显示控件实现插补轨迹的动态显示、X/Y进给方向变化图以及插补过程数据显示。

3.2数字积分法插补仿真程序设计

按照数字积分法插补算法,数控系统依据加工程序中的有限数据,按照数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的位移,对直线或者圆弧进行加工的时候,用两个累加器分别对两轴的终点坐标值进行累加,当累加器溢出脉冲的时候,指令相应的坐标沿规定方向进给一步,直至到达各轴的终点,以此为基础完成所需轮廓轨迹的拟合。

3.3数字积分法插补仿真实验教学软件的实现

首先,按照数字积分法插补仿真实验教学平台的设计思路和各插补算法流程图,编写后面板程序,其中初始化模块的后面板实现框图。插补仿真过程的启动功能采用while循环且在其中添加了一个布尔量开关,只有当开关启动为真时,才跳出while循环进入case循环执行插补主程序;并且为了大幅度减少CPU的使用率、降低能耗,在while循环中加入一个时间延迟函数,延迟时间默认设置为0.5s,这个根据需要也可以进行修改。在插补仿真过程实现之前,首先需要输入插补运算的基本数据,如果输入错误的数据或不合理的数据,弹出对话框提示用户输入正确的数据。

另外,插补速度控制模块后面板框图所显示,采用时间函数显示插补时间,为了直观地模拟插补仿真过程,采用时间延迟函数来设置相邻两次插补循环过程的时间间隔,也就实现了对插补速度的调节功能。并且添加了单步插补控制功能,只有触发了单步插补按钮才会运行一次插补循环,手动多次触发此按钮即可控制插补过程的执行。

之后,插补过程实时仿真显示模块按照不同的插补算法流程图和插补步骤,添加相应的对象,然后根据数据流的流向将端口、节点、框图依次相连,实现不同插补算法的插补运行过程。

3.4数字积分法插补仿真实验教学平台的测试

数字积分法插补仿真实验教学平台的测试对于软件的正常工作至关重要,是系统正常运行和使用之前的必要环节。首先对各功能模块进行测试,输入不同象限的起点和终点坐标,设置插补的进给速度,圆弧插补时选择插补方向,并考虑过象限问题,逐一运行软件程序。为了便于程序调试和排查错误,借助工具栏中的“显示错误”、“单步执行”、“断点执行”等工具,在程序中设置断点单步执行,或者在程序流上设置探针,观察程序运行中数据的变化,也可以进行点亮操作来观察数据流的流动方式,此软件系统经过严格的模块测试与总体测试均表现正常且达到了预期功能,稳定性也很好,测试界面如图1、图2、图3所示。

4结束语

从教学实际出发,构建的数字积分法插补仿真实验教学平台在一定程度上弥补了实物实验教学的不足,采取实验课嵌入理论课的授课方式,不但缓解了课时的矛盾,较好地达到预习实验的目的[2],学生可以可以通过手动方式单步执行插补算法的插补过程,也可以通过自动方式直观模拟插补全过程,提高学生参与实验的积极性和主动性,开拓学生思维,对数字积分法椭圆曲线插补和其他复杂曲线插补算法的改进和应用提供软件平台,进一步拓展了实验内容;而且打破了传统实验的限制,对实验资源的整合、优化及充分利用发挥了示范作用。

摘要：为便于学生直观地理解数字积分法插补原理和插补流程,采用Lab VIEW构建了虚拟仿真实验教学平台。该平台集成了直线插补模块和圆弧插补模块,每个模块主要包括插补运算初始化启动功能、插补速度控制功能和插补过程实时显示功能,便于学生形象直观地模拟单象限及跨象限直线和圆弧插补过程,进而深刻理解数字积分法插补原理,同时也为数字积分法插补算法的改进和功能拓展提供相应接口,为学生创新性实验开展提供平台支撑。

关键词：数控插补,数字积分法,虚拟仿真,实验教学,教学平台

参考文献

[1]黄家善.计算机数控技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]蔺智挺.基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学[J].实验技术与管理,2016,33(1):122-126.

系统仿真实验教学大纲 篇8

摘要：

分析了双回路制动阀的动态工作过程，探讨了双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量对动态工作特性的影响.基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台建立了双回路制动阀的仿真模型，研究了遮盖量变化对制动压力输出特性的影响规律以及单回路制动安全性能.搭建了全液压制动系统的实验台架，对具有不同遮盖量的制动阀样品的制动性能进行了实验对比测试.实测结果表明：遮盖量与制动空行程成正相关，与前、后桥的最大制动压力成负相关；双回路制动阀的前、后回路相互独立，当其中一条回路失效时，另一条回路仍能正常工作.实验结果与仿真结果具有良好的一致性，验证了该仿真模型的有效性.

关键词：

全液压制动系统； 双回路制动阀； 遮盖量； AMESim仿真； 制动压力输出特性

中图分类号： TH 137.52+1文献标志码： A

Abstract：

The dynamic movement process of dual circuit braking valve was analyzed.The influence of the overlapping lengths between the upper core and the rear output port as well as the lower valve core and the front output port on its dynamic characteristics was investigated.According to the simulation model of dual circuit braking valve built by AMESim software，the effects of overlapping length on the braking output pressure characteristics and the safety of single circuit brake valve were studied.The experimental bench with a full hydraulic braking system was established to determine the braking valves output characteristics with different overlapping lengths.The experimental results showed that there were positive correlations between overlapping lengths and the length of braking spare travelling process.And the overlapping lengths were negatively correlated with the maximum output pressure.Each circuit could work independently.Therefore，when one circuit lost efficacy，the other could work well.The experimental results were consistent with the simulation results，which verified the great validity of the simulation model and its simulation method.

Keywords：

full hydraulic braking system； dual circuit hydraulic braking valve； overlapping length； AMESim simulation；brake pressure output characteristics

全液压制动系统具有制动力矩大、制动灵敏、稳定性强的特点，与气液制动系统相比具有显著的性能优势，已成为工程机械制动系统的主流发展趋势.由于目前国内并未完全掌握全液压制动系统的核心技术，仍依靠国外进口的系统元件，造成系统成本昂贵、升级困难.因此，实现全液压制动系统元件的国产化非常重要.双回路制动阀作为全液压制动系统压力输出的控制元件，其性能的优劣直接影响车辆制动的安全性.目前国内学者只对国外双回路制动阀样品的动、静态特性进行了仿真与实验研究[1-4]，尚未深入开展不同关键结构参数对双回路制动阀性能影响规律的研究.

本文建立了双回路制动阀工作过程的数学模型，分析了阀芯受力平衡以及动态运动过程，并基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台，建立了制动阀的液压仿真模型，通过变参数仿真和实验研究了关键结构参数对制动阀性能的影响规律.研究对于双回路制动阀的国产化开发具有一定的参考价值.

1双回路制动阀工作原理

1.1工作过程分析

双回路制动阀的液压原理图如图1所示，其中：A1、A2分别为前、后桥输出口；T1、T2分别为前、后桥回油口；P1、P2分别为前、后桥进油口；F为踏板力，N.双回路制动阀内部结构图如图2所示，其中：Xu为上阀芯对P1的遮盖量；Xd为下阀芯对P2的遮盖量.

双回路制动阀具有上、下两个阀芯（近制动踏板端为上阀芯，远制动踏板端为下阀芯），其工作过程可分为三个阶段：制动空行程阶段、比例制动输出阶段、制动撤销阶段.

制动空行程阶段是指上、下阀芯在F作用下左移，制动阀的前、后桥输出口A1、A2分别与回油口T1、T2由接通到逐渐断开，并与进油口P1、P2由断开到临界接通的过程.

比例制动输出阶段是指随着阀芯位移逐渐增大，A1、A2分别开始与P1、P2接通，双回路制动阀开始输出制动压力，制动输出压力与阀芯位移成比例关系.当阀芯位移达到最大值时，制动输出压力达到最大值并保持不变.

当F撤销时，阀芯在复位弹簧的作用下右移，双回路制动阀A1、A2分别与T1、T2接通，前、后桥制动器中的液压油回流至油箱，制动过程结束.

根据阀芯在不同工作阶段的受力情况，可得到其受力平衡方程.当制动阀处于空行程阶段时，阀芯受力平衡情况及动态运动方程可表示为

综上可得，上、下阀芯分别对进油口P1、P2的遮盖量Xu、Xd决定了制动过程中空行程的长短.此外，由式（4）可知，在双回路制动阀其他结构参数不变的情况下，Xu、Xd与双回路制动阀输出压力成比例关系.由于在双回路制动阀加工中主要是通过改变Xu、Xd调节不同的双回路制动阀的输出压力，因此，Xu、Xd是双回路制动阀的关键结构参数.

2双回路制动阀性能仿真

基于AMESim液压/机械多场耦合仿真平台建立的双回路制动阀仿真模型[5-6]如图3所示.为了保证该仿真模型能正确进行运算，在模型中增加了蓄能器及前、后制动器[7].主要仿真参数如表1所示.

2.1制动压力输出特性

双回路制动阀仿真模型中阀芯位移输入信号如图4（a）所示，阀芯位移变化范围为0～9 mm.双回路制动阀前、后桥输出压力仿真结果如图4（b）所示，双回路制动阀的空行程为2 mm，满足制动输出压力响应速度的要求.此后，经过一个短暂的压力脉动阶段，前、后桥制动输出压力与阀芯位移成正相关，随着阀芯位移的增大其输出压力相应增大.由于上、下阀芯运动存在不同步性，因此在输出压力比例增大阶段，后桥输出压力略小于前桥.当阀芯位移达到最大值时，双回路制动阀前、后桥的制动输出压力也达到最大值（10.4 MPa）并保持不变.

2.2制动阀特性变参数仿真

利用AMESim仿真平台中的批处理模块对制动阀上、下阀芯的Xu、Xd进行了变参数仿真分析（阀芯位移输入信号同2.1节），以确定Xu、Xd与前、后桥制动输出压力之间的关系.Xu、Xd仿真参数如表2所示.

图5为不同Xu、Xd时的仿真结果.随着Xu不断减小，双回路制动阀前桥输出口A1的最大输出压力逐渐增大；随着Xd不断减小，双回路制动阀后桥输出口A2的最大输出压力也逐渐增大.随着Xu、Xd逐渐减小，双回路制动阀前、后桥的制动空行程变小.因此，可通过改变Xu、Xd的大小改变双回路制动阀的空行程长短和前、后桥的最大输出压力.

2.3单回路安全性仿真

将双回路制动阀仿真模型的其中一条回路断开，对另一条回路的输出压力特性进行了仿真.仿真结果如图6所示.当一条回路失效时，另一条回路的制动空行程以及前、后桥最大输出压力与未失效时基本一致，即能正常实施制动，两条回路相互独立，从而提高了制动安全性.

3实验结果分析

为了对双回路制动阀的工作特性进行分析，搭建了全液压制动系统的实验台架，如图7所示.实验台架主要元件参数如表3所示.

3.1制动压力输出特性

利用由舵机、摇臂及连杆等组成的制动踏板控制机构对踏板进行匀速控制.制动踏板控制机构如图8所示.双回路制动阀的前、后桥制动输出压力的实验结果如图9所示，制动空行程约为2 mm.由图9

4结论

（1） 通过对双回路制动阀阀芯的动态运动方程进行分析，得出双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量为其关键结构参数.

（2） 对双回路制动阀上、下阀芯对其前、后桥输出口的遮盖量进行了变参数仿真，发现该参数与双回路制动阀的空行程成正相关，与最大输出压力成负相关；此外，对双回路制动阀的单回路安全性进行了仿真，结果显示，双回路制动阀在其中一条回路失效的情况下，另一条回路仍能正常输出压力，表明双回路制动阀具有较高的安全性.

（3） 通过搭建全液压制动系统的实验台架，对双回路制动阀的输出压力特性、单回路安全性进行了实验，并对比了不同遮盖量时的制动输出压力特性.

实验结果与仿真结果具有较好的一致性，说明建立的仿真模型能对双回路制动阀的制动特性进行较准确的模拟计算.研究为双回路制动阀的产品开发尤其是结构优化提供了一定的理论参考.

参考文献：

[1]程振东，田晋跃，刘刚.工程车辆全液压制动系统性能分析及仿真研究[J].工程机械，2005，36（12）：50-53.

[2]陈晋市，刘昕晖，王同建，等.全液压制动系统液压制动阀的动态特性[J].哈尔滨工业大学学报，2013，45（5）：75-79.

[3]张锦.全动力液压制动系统动态响应特性研究[D].太原：太原科技大学，2008.

[4]ZHAN C，LIU X H，WANG Z，et al.Analysis of the regenerative brake system parameters for concrete mixing truck basded on AMESim[J].Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology，2011：2124-2127.

[5]余佑官，龚国芳，胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压气动与密封，2005（3）：28-31.

[6]程振东，田晋跃，刘刚.车辆全液压制动系统执行机构建模及仿真[J].系统仿真学报，2006，18（3）：778-780.

[7]王磊.皮囊式蓄能器在液压系统中的应用[J].能源研究与信息，2005，21（2）：100-105.

[8]王展.全液压制动系统仿真分析与实验研究[D].长春：吉林大学，2012.