网络通信原理教案

网络通信原理教案（通用8篇）

网络通信原理教案 篇1

网络硬件组成：1.服务器2.客户机3.传输介质4.通信连接设备 2.新课 网络软件系统: 网络应用软件：网络媒体播放器（暴风影音，可在线也可看本地视频）文件上传与下载工具（迅雷，土豆）企业网络信息管理系统（机房管理系统）网络应用软件结构：

客户/服务器（C/S）结构，需要下载安装客户端软件，客户端负责自己可以处理的数据，分担服务器工作（优酷，查询，下载，浏览视频）

浏览器/服务器（B/S）结构，不需要安装客户端软件，用浏览器访问服务器，客户机极少处理数据，大部分数据处理工作交给服务器（网页优酷，FLASH阅览）

网络通信原理

1.协议：数据传输的一些通用规则。就像学校有校规，国家有法律一样。也像两个不同国家的人在沟通交流，需要使用同一种语言一样。

因特网的通信协议：支撑网络运行的通信规则。Internet网络协议采用TCP/IP协议。具体协议主要有： TCP：数据传输控制协议 IP：网络互联协议（网间协议）HTTP：超文本传输协议（网页上使用）FTP：文件传输协议 SMTP：简单邮件传输协议 POP3：邮局协议 UDP：用户数据报协议 ARP：地址解析协议

网络协议比较复杂，为了通讯网络过程简单一些，采用分层化处理模式。分工明确，每个功能对应每个层独立完成实现。

如不分层，硬件维修与管理都是很麻烦的，文件传输中只考虑通过什么方式传输就好了，不必关心通信底层的通信线路是光纤还是双绞线 开放系统互联协议（OSI）分层模型的基本思想：

1.应用层，2.表示层，3.会话层，4.传输层，5.网络层，6.数据链路层，7.物理层 计算机利用协议通信时，发送方从上层向下层传输数据，没经过一层都附加一个协议控制信息，到达物理层后将来数据包进行转换，送入传输介质。数据传输到接收方时，再自下层向上层逐层去掉协议控制信息，并完成各层的指令功能。应用层最接近用户，物理层为最底层

写邮件 ↓

装信封，写地址

↓

邮局分类信件，装邮包

↓

邮宝装集装箱

↓

集装箱装邮车

传输介质传输

发信时层层加包装，收信时层层拆包装，对等层按相同规则执行，相邻上层给下层传输命令，下层给上层提供服务，不越层 往下传输一层加协议，网上传输去协议 高层位置 应用层（各种软件，应用程序）

表示层（所有数据转换编码，数据形成表示，翻译）

会话层（选择、管理会话，迅雷电驴下载时的多会话下载选择会话）传输层（选择传输端口，QQ—数据传输，迅雷—文件传输）网络层（数据打包，发送数据包）数据链路层（解析、寻找地址）物理层（传输介质，传输比特流）

ISO（国际标准化组织）规划出OSI开放系统互联协议，美国国防部按OSI协议开发出INTERNET网络体系结构TCP/IP协议结构

应用层（处理高层协议，包含应用层、会话层和表示层的功能）传输层（监督数据，保证网络服务质量，选择传输端口）对应传输层 网际层（互联网络层）（运送数据包）对应网络层

网络接口层（解决主机接入网络的问题）对应数据链路层和物理层

OSI与TCP/IP相同的是传输方向相同，下层对上层提供服务 但OSI适用所有网络，TCP/IP只适用于INTERNET网络

读信件 ↑

按地址投递信件

↑

拆邮包，分类信件

↑

集装箱拆成邮包

网络通信原理教案 篇2

网络通信一般指网络协议,局域网中最常用的有三个网络协议:NETBEUI、IPX/SPX和交叉平台TCP/IP,网络协议就是网络之间沟通、交流的桥梁。

二、分类

网络通信网主要分为以下几种:

1)物理网是由用户终端、交换系统、传输系统等通信设备所组成的实体结构,是通信网的物质基础,也称装备网。

2)业务网是疏通电话、电报、传真、数据、图像等各类通信业务的网路,是指通信网的服务功能。

3)支撑管理网是为保证业务网正常运行,增强网路功能,提高全网服务质量而形成的网络。

三、工作原理

1、计算机网络采用层次性的结构模型,将网络分成若干层次,每个层次负责不同的功能。

2、多种协议组合在一起成为协议体系,它们负责保证传输的通畅。各功能层之间,上一层对下一层提出服务要求,下一层完成上一层提出的要求。基于这样的思想,网络世界中产生了一种通用的概念模型——OSI模型(Open Systems Interconnection),即开放系统互联参考模型。

OSI七层模型通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的网络之间实现可靠的通讯,因此其最主要的功能就是帮助不同类型的主机实现数据传输。

物理层:在OSI参考模型中,物理层(Physical Layer)是参考模型的最低层,也是OSI模型的第一层。

数据链路层:数据链路层(Data Link Layer)是OSI模型的第二层,负责建立和管理节点间的链路。

网络层:网络层(Network Layer)是OSI模型的第三层,它是OSI参考模型中最复杂的一层,也是通信子网的最高一层。它在下两层的基础上向资源子网提供服务。

传输层:OSI下3层的主要任务是数据通信,上3层的任务是数据处理。而传输层(Transport Layer)是OSI模型的第4层。

会话层:会话层(Session Layer)是OSI模型的第5层,是用户应用程序和网络之间的接口,主要任务是:向两个实体的表示层提供建立和使用连接的方法。将不同实体之间的表示层的连接称为会话。

表示层:表示层(Presentation Layer)是OSI模型的第六层,它对来自应用层的命令和数据进行解释,对各种语法赋予相应的含义,并按照一定的格式传送给会话层。

应用层:应用层(Application Layer)是OSI参考模型的最高层,它是计算机用户,以及各种应用程序和网络之间的接口。

由于OSI是一个理想的模型,系统能够具有所有的7层,并完全遵循它的规定。

在7层模型中,每一层都提供一个特殊的网络功能。从网络功能的角度观察:下面4层(物理层、数据链路层、网络层和传输层)主要提供数据传输和交换功能,即以节点到节点之间的通信为主;第4层作为上下两部分的桥梁,是整个网络体系结构中最关键的部分;而上3层(会话层、表示层和应用层)则以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。

2)TCP/IP分层模型

TCP/IP协议被组织成四个概念层,其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层。ICP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层,因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能,必须与许多其他的协议协同工作。

3、数据交换技术

在计算机网络中需要经过若干个中间节点的转接,如要通过若干个路由器、交换机等设备,这就要用到数据交换技术。数据交换技术主要有三种类型:电路交换、报文交换和分组交换。

结论

基于计算机网络的各种网络应用系统通过在网络中对数字信息的综合采集、存储、传输、处理和利用而在全球范围把人类社会更紧密地联系起来,并以不可抗拒之势影响和冲击着人类社会政治、经济、军事和日常工作、生活的各个方面。

摘要：网络,是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起,组成数据链路,从而达到资源共享和通信的目的。通信,是人与人之间通过某种媒体进行的信息交流与传递。

直流电动机工作原理教案设计 篇3

1.书上彩图一下子给出线框受力方向，学生觉得突兀；

2.没有实际器材，换向器究竟什么样，怎样起作用不形象.

3.学生动手少，缺少理论与实践结合，枯燥，觉得学无所用.

经过思考，紧扣物理课程标准中对注重联系实际和过程与方法的渗透，再结合初中学生形象思维仍占优势，逻辑思维需要感性经验的直接支持的特点，我设计了这个教案，其基本设计思路如下：

1.通过实验对比，设置障碍，激发学生的学习兴趣.

2.铺设台阶，及时引导学生发现问题，从而寻求解决问题的途径，理解电动机工作原理.

3.激发求证心理，理论与实践相结合.

4.通过变式型设计，调动学生创造发明的积极性.

实践证明，效果很好，与大家分享一下.

导入：实验展示：给两个直流电动机通电，一个可以持续转动，而另一个不可以.学生自然产生疑问，为什么第一个不能持续转动呢？（其中一个电动机的线圈两端与电刷用导线焊接上，相当于两个铜环）学生带着疑问开始了本节课的学习.

第一环节：找出为什么不能持续转动

师：展示模型如图1：对线框的各个边分析，告诉学生左边一条边受到的力（由于初中生没有学习安培定则），让同学们分析对边受力情况.

学生运用磁场对通电导线的作用力的方向与电流方向有关，可以得出力的方向与左边方向相反.

（在两边线框上固定两根细线在图1F处，便于沿着力的方向拉动.）

师：线框将如何转动？

师：通电展示改动过的直流电动机模型，跟大家想的一样.生喜悦.

生：线圈转动怎么停下了？

师：转动模型如图2，这时右边受力有无变化？

生：右边受力无变化，仍向上，因为磁场和电流方向都不变.

师：拉动细线展示.

师：让线圈转到图3所示位置，上边受力变化吗？上下边受力有什么特点？

生：这两个力是一对平衡力，所以静止.

师：通电线圈的平面与磁感线垂直时，线圈受到磁场的作用力是一对平衡力，我们把这个位置称作平衡位置.

通过展示，将过程放大，便于学生发现电动机不转的原因，为下面解决问题埋下伏笔.

第二环节：怎样才能持续转动

师：用手转动模型，缓慢展示回到平衡位置的情况，那么怎样才能继续转呢？

生：改变力的方向.

师：追问：如何改变？

生：改变磁场方向、改变电流方向.

生：磁场.

师：展示实验，对调磁极.

生：大笑.（因为不断调动磁极不可能）

生：改变电流.

生：对调电源正、负极.

生：也一样.

生沉默……

师：展示模型如图4遮去电源部分.

生：好奇，开始比较两个模型不同之处

生：加了两个半环.

生：皱眉，这样能行吗？

师：展示模型如图4，转动模型至相反位置，如图5：让大家再次受力分析.

生：可以转了.在体会真神奇时，学生也就体会了换向器如何改变电流方向问题.

师：我们把这两个半环叫做换向器.

师：通电展示，电动机持续转动.

第三环节：寻找直流电动机模型换向器的改装

师：展示不能持续转动的换向器的改动.让学生寻找不能持续转动电动机的改动部分，进一步了解换向器的功能.

这时学生动手欲望很强，便于积极培养学生动手能力.

第四环节：学生自己动手安装直流电动机模型

1.安装直流电动机模型，可以持续转动.

2.改变电流方向，观察线圈转动方向.

3.对调磁极，观察线圈转动.

这个实验重在让学生体会自己能让电动机持续转动的愉悦.老师课前要调试好直流电动机模型，部分小组电刷和换向器之间稍微紧些.这样便于培养小组合作精神.实验只要布置（1），（2）、（3）不需老师提醒，学生自己就忙上了，等不及了！我们何不抓住机遇，顺水推舟，这样既培养了动手能力，又调动了积极性.

第五环节：总结直流电动机工作原理

师：请大家试着总结一下直流电动机工作原理.

生：磁场对线圈的作用，换向器改变电流方向，通电线圈……

师：线圈为什么会越过平衡位置？

生：由于惯性.

师：直流电动机的工作原理：通电线圈在磁场中受到力的作用而转动，由于惯性线圈越过平衡位置，通过换向器及时改变电流方向，从而能够持续转动.

边总结边转动模型.

第六环节：应用性设计

师：如图6所示是最简单的直流电动机模型，怎样使小电动机持续转动？想一想，通电后线圈将怎样运动？为什么能持续转动？请大家用漆包线和收音机扬声器后的磁体亲自做一做.这个设计取材容易，操作简单，课后容易实现.

这样处理的好处：

1.先给出一个线框受到的力，学生容易判断另一个线框的力，又能复习磁场对通电导线的力的方向与电流方向和磁场方向有关.

2.学生身临其境的参与了为什么用换向器的过程，所以换向器的结构及功能就很清晰了.

3.学生亲自动手让电动机转起来，不但培养了学生的动手能力，同时学生觉得学有所用，有强烈的喜悦感.

4.会灵活运用直流电动机的工作原理解决问题，不需死记硬背就能形象的掌握了.

加法原理和乘法原理教案设计 篇4

【教学目的】

1.使学生理解和掌握加法原理和乘法原理并能准确、熟练地运用两个基本原理。

2.加强对学生思维条理性的训练，培养学生分析问题、解决问题的能力。【教学重点和难点】重点是两个基本原理的应用，难点是对两个基本原理的准确理解。

【教学过程】

一、讲授新课

加法原理和乘法原理是有关排列、组合问题所遵循的两条基本原理，深入理解和准确运用这两个原理是学好排列、组合这一单元的重要一环。

请同学们考虑下面两个问题：

问题

1从甲地到乙地，旱路有3条，水路有2条，间从甲地到乙地共有多少种不同的走法？

从图中很容易找到答案：从甲地到乙地共有5种不同的走法。

问题

2由A村到B村的路有3条，由B村到C村的路有2条，问从A村经过B村到达C村共有多少种不同的走法？

从图中不难看出此题的答案是：共有6种不同的走法。

我们从上面两个问题中可以抽象出一般性的规律，得出以下的结论：

（一）完成一件工作的两种不同的方式。

问题1和问题2的共同之处在于：它们都是在研究做一件事（或工作）完成它共有多少种不同的方法？这两个问题的不同点是完成工作的方式不同。问题1中的每条旱路或水路都可以从甲地直接到达乙地，其中旱路和水路只不过是完成从甲地到乙地这件工作的两类不同的办法。

问题2中的从A村到B村的3条路和从B村到C村的2条路的任意一条路都不能把从A村经过B村到达C村这件工作做完，只能完成这件工作的一部分。问题2中的工作是分两个步骤完成的：第一步从A村到达B村，第二步从B村到达C村。

我们不难总结出：完成一件工作有以下两种不同的方式：

第一种方式：用不同类的办法去完成一件工作，每类办法中的任意一种方法都可以从头至尾把这件工作做完。

第二种方式：分成几个步骤去完成一件工作，每个步骤中的任意一种方法只能完成这件工作的一部分，这几个步骤都完成了，这件工作才能做完。

（二）加法原理和乘法原理。

下面我们来研究：完成一件工作的不同方法的总数怎样计算：

问题1的答案是共有5种不同的走法，已知旱路3条，水路2条，显然5=3+2。问题2的答案是共有6种不同的走法，已知从A村到B村3条路，从B村到C村2条路，显然6=3×2。

总结一般规律如下：

加法原理

做一件事，完成它有n类办法，其中第一类办法中有m种方法，第二类中有m2种方法„„，第n类办法中有mn种方法，那么完成这件事共有N=m1+m2+„+mn种不同的方法。

1如问题1从甲地到乙地的走法可以分为两类： 第一类办法是走旱路有3种不同的走法。第二类办法是走水路有2种不同的走法。由加法原理共有3+2=5种不同的走法。

乘法原理

做一件事，完成它需要分成n个步骤，第一个步骤有m种不同的方法，第二个步骤有m2种不同的方法„„，第n个步骤有mn种不同的方法，那么完成这件事共有N=m1·m2„„mn种不同的方法。

1如问题2从A村经过B村到达C村可分为两个步骤完成： 第一步A村→B村，有3种不同的走法。第二步B村→C村，有2种不同的走法。由乘法原理，共有3×2=6种不同的走法。例1 从甲地到乙地可以乘火车，也可以乘汽车或轮船。一天中火车有4班，汽车有2班，轮船有3班，那么一天中，乘坐这些交通工具从甲地到乙地共有多少种不同的走法？

解：完成由甲地到乙地这件事有三类办法： 第一类办法坐火车，一天中有4种不同走法。第二类办法坐汽车，一天中有2种不同走法。第三类办法坐轮船，一天中有3种不同走法。由加法原理得：4+2+3=9 答：有9种不同的走法。

例2由数字1、2、3、4、5可以组成多少个允许有重复数字的三位数？无重复数字的三位数？

解：（1）组成允许有重复数字的三位数这件事可分三个步骤完成： 第一步确定百位上的数字：有5种不同方法。第二步确定十位上的数字：有5种不同方法。第三步确定个位数字：有5种不同方法。由乘法原理：5×5×5=125。

答：可组成允许有重复数字的三位数125个。

此题第（2）问由同学们自己完成，提醒大家注意：允许有重复数字和无重复数字这两个条件的区别。第（2）问答案是60个。

（三）运用两个基本原理时要注意以下几点：

1.抓住两个基本原理的区别不要用混，不同类的方法（其中每一个方法都能把事情从头至尾做完）数之间做加法，不同步的方法（其中每一个方法都只能完成这件事的一部分）数之间做乘法。

2.在研究完成一件工作的不同方法数时，要遵循“不重不漏”的原则。如：从若干件产品中抽出几件产品来检验，把抽出的产品中至多有2件次品的抽法分为两类：第一类抽出的产品中有2件次品，第二类抽出的产品中有一件次品，这样的分类显然漏掉了抽出的产品中无次品的情况。又如：把能被

2、被3或被6整除的数分为三类：第一类能被2整除的数，第二类能被3整除的数，第三类能被6整除的数，其中第一类、第二类都和第三类有重复，这样分类是不行的。

3.在运用乘法原理时，要注意每个步骤都做完这件事也必须完成，而且前面一个步骤中的每一种方法，在下个步骤中都得有m种不同的方法。

二、巩固练习

1.书架上层放有6本不同的数学书，下层放有5本不同的语文书：（1）从中任取一本书，有多少种不同的取法？

（2）从中任取数学、语文书各一本，有多少种不同的取法？（答案：（1）11种，（2）30种。）

2.有三个袋子，其中一个袋子装有红色小球20个，每个球上标有1至20中的一个号码，一个袋子装有白色小球15个，每个小球上标有1至15中的一个号码。第三个袋子装有8个黄色小球，每个球上标有1至8中的一个号码。（1）从袋子里任取一个小球，有多少种不同的取法？（2）从袋子里任取红、白、黄色小球各一个，有多少种不同的取法？（答案：（1）43种，（2）2400种）

三、布置作业

1.复习本节内容：读书和看笔记。

自控原理实验教案 篇5

王晓明

辽宁科技大学电信学院

实 验 要 求

1.实验预习： 实验前必须认真预习实验指导书及其相关的理论知识，作好充分准备。对于设计性实验和综合性实验，学生必须在实验前拿出设计方案，以其达到预期的目标，写出预习报告。让指导老师检查合格的方可进行实验。2.实验进行： 学生进入实验室，要保持室内整洁安静。按照预习报告进行实验。实验中需要改接线的，应关掉电源后才能拆、接线。实验时应注意观察，若发现有异常现象，应立即关掉电源，保持现场并报告指导老师处理。

3.实验数据： 实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果、数据、波形。所记录的实验结果经指导老师审阅后再拆除实验线路。

4.实验报告： 要求学生独立完成实验报告，不许抄袭或请人代劳。报告内容包括实验目的、实验设备、实验内容、实验电路图、实验数据及仿真曲线、实验思考题等。要求文字书写整齐清洁。

5.未尽事项由实验教师和认课教师协商决定。

目 录

实验一 线性定常系统的瞬态响应„„„„„„„„„„„„„„„„„3 实验二 控制系统稳定性分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 实验三 根轨迹法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 实验四 典型环节和系统频率特性的测量„„„„„„„„„„„„„„13 实验五 串联校正环节的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 实验六 离散控制系统的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 实验七 典型非线性环节的静态特性„„„„„„„„„„„„„„„„27 实验八 PID的控制作用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 附 录 硬件的组成及原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„33

实验一 线性定常系统的瞬态响应

一、实验目的

1、掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；

2、研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。

二、实验设备

1、THBCC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)USB通信线1根

3、MATLAB软件

4、万用表1只

三、实验内容

1、观测一阶、二阶系统的阶跃响应，并测出（或计算出）其上升时间、超调量和调节时间；

2、改变一阶系统的时间常数，测出（或计算出）其上升时间和调节时间；

13、调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比ζ=，测出（或计算出）

2此时系统的上升时间、超调量和调整时间；

4、二阶系统的开环增益K固定，调节二阶系统的时间常数，分别使二阶系统的ζ=0，0<ζ<1，ζ＝1和ζ>1，测出（或计算出）此时系统的上升时间、超调量和调整时间。

四、实验原理

本实验是研究一阶、二阶系统的瞬态响应。

一阶系统（闭环）的传递函数为： G(s)Ts

1图1-1一阶系统模拟电路图

K=R2=1 T=R2C R1=R2=100K C=10f R0=200K R1 改变R2、R1、C的值就可改变K、T的值。二阶系统（单位反馈）的开环传递函数为：G(s)Ks(Ts1)

Wn2KC(S)1闭环传递函数：W（S）==2W== nT1T2RCR(S)S2WnSWn2

12T2R R=R1=R2=100K C=10f K1K22Rx图1-2 二阶系统方框图

图1-3 二阶系统模拟电路图

(a)欠阻尼(0<<1)(b)临界阻尼(1)(c)过阻尼(1)图1-4 二阶系统的动态响应曲线

五、实验步骤

根据上图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。

1.n值一定时，图1-3中取C=1uF，R=100K(此时n10)，Rx阻值可调范围为0～470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。

1.1当可调电位器RX=250K时，=0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量 为53%左右；

1.2若可调电位器RX=70.7K时，=0.707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右；

1.3若可调电位器RX=50K时，=1，系统处于临界阻尼状态;1.4若可调电位器RX=25K时，=2，系统处于过阻尼状态。

2.值一定时，图1-3中取R=100K，RX=250K(此时=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同n值时的实验曲线。

2.1若取C=10uF时，n1 2.2若取C=0.1uF时，n100

六、实验报告要求

1、根据题目要求，画出一阶、二阶线性定常系统的实验电路图，写出它们的闭环传递函数，并标明电路中的各参数。

2、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统动态特性的影响。

3、设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。

七、实验思考题

1、如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？

2、在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？

3、为什么本实验中一阶系统对阶跃输入信号的稳态误差不为零？二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零？

注意：Ui输入一个单位阶跃信号，用电压表调单位阶跃；地与稳压电源的地短接。输出可调电阻用面板上的可调电位器0-470K调节。点时间轴自动弹出时间轴放大按住鼠标左键向右移动可放大图象示波器，波形复制→WORD文档粘贴。

实验二

控制系统稳定性分析

一、实验目的

1、通过观察三阶系统在单位阶跃信号作用下的动态特性，判断系统的稳定性，并定量了解放大倍数和时间常数对系统稳定性的影响。

2、研究二阶欠阻尼系统的暂态特性。

3、研究测速反馈二阶系统的暂态特性。

4、掌握MATLAB中SIMULINK 的使用方法。

二、实验设备

1、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、研究三阶系统参数对系统稳定性的影响。连接系统, 如图所示:

2、研究二阶欠阻尼加零点系统的动态特性

连接系统，如图所示:

说明：在命令空间中plot(t,y)可实时记录曲线图，背景为白色。然后拷贝到word文档粘贴。To work 改成阵列形式。

Math operations(数学运算)：sources信号源clock时钟step阶跃sinks 接收器scope示波器gain增益sum 求和continuous连续transfer fan 分子分母形式的传函。加时钟t→y 表示点对点即一个时间严格y值，可在word文档中粘贴的，save format→array点阵形式。

3、掌握测速反馈对二阶系统动态性能的影响

连接系统, 如图所示:

旋转指令format可将方框图旋转，反馈回路接

四、实验原理

本实验是研究三阶系统稳定性问题和二阶系统的动态响应。1.三阶系统的开环传递函数为：G(s)K3K1K2

T1s1T2s1T3s1du和放大器，方向向左←。dt研究改变放大系数和时间常数对系统稳定性的影响，最后得出放大系数和时间常数之间的关系。

Ts12．二阶系统的开环传递函数为：G(s)2，研究二阶系统加零点对系统

ss1性能的影响，特别是改变时间常数T对系统性能的影响。

K3．二阶系统速度反馈前，内环开环传递函数为：G(s)2，速度反馈环

sTsGf(s)K1s，节的传递函数为：研究速度反馈对二阶系统性能的影响，设K

1、T1，试确定0、0

1、1时，K1的取值范围。

五、实验步骤

1、利用MATLAB平台搭建一个单位反馈的三阶系统，其开环传递函数为：G(s)K3K1K2，固定K1、K2、K3、T1、T2、T3六个参数中的五T1s1T2s1T3s1个参数，例如：K2=

2、K3=

3、T1=

2、T2=

5、T3=6，改变K1，当系统加阶跃输入时，观察输出波形，判断系统的稳定性。

2、利用MATLAB平台搭建一个单位反馈二阶欠阻尼加零点的系统，系统的开环传递函数为：G(s)Ts1，分别设定T0（无零点）和T0（有零点）时，2ss1观察其单位阶跃响应曲线，并计算其上升时间、超调量和调整时间。

3、利用MATLAB平台搭建一个带速度反馈的二阶系统，内环开环传递函数为：G(s)K，速度反馈环节的传递函数为：Gf(s)K1s，研究T

1、K1，s2Ts当改变K1数值时，观察其单位阶跃响应曲线，并计算其上升时间、超调量和调整时间。

六、实验报告要求

1、根据题目要求，利用MATLAB画出三阶系统和二阶系统加零点及二阶系统带速度反馈的系统图，并写出它们的闭环传递函数。

2、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析三阶系统各环节开环增益K和时间常数T对系统稳定性的影响。

3、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，比较二阶欠阻尼系统有零点和无零点的性能指标。

4、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，比较二阶系统有速度反馈和无速度反馈的性能指标。

七、实验思考题

1、三阶系统稳定时，各环节放大倍数、时间常数的关系表达式？

2、二阶系统加零点对系统的动态性能有何影响？

3、二阶系统加速度反馈对系统的阻尼比有何影响？

实验三

根轨迹法

一、实验目的

1、通过根轨迹图的绘制，对典型根轨迹图进行分析及利用根轨迹法对控制系 统稳定性进行分析。

2、了解典型根轨迹图的绘制。

3、掌握MATLAB中根轨迹图绘制方法。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、已知负反馈控制系统的开环传递函数为G(s)的根轨迹图。

2、已知单位反馈系统的开环传递函数为G(s)下列两种情形的根轨迹图。

 绘制负反馈控制系统的根轨迹图。 绘制正反馈控制系统的根轨迹图。

四、实验原理

1、利用改变系统的根轨迹放大倍数，研究系统闭环性能及系统闭环的稳定性。

2、绘制负反馈系统的根轨迹图。

3、绘制正反馈系统的根轨迹图。

4、研究改变根轨迹放大系数对系统性能指标的影响。

五、实验步骤

1、绘制系统的根轨迹图，程序代码如下：

＞＞den=conv（[1，0]，conv（[1 2.73]，[1 2 2]））；分母多项式 G=tf（1，den）； rlocus（G）；画根轨迹

K，试作系统

s(s2.73)(s22s2)K(s2)，试画出2s(s4)(s8)(s2s5)axis（[-4 2 –3 3]）；估计根轨迹图的范围设定 set（findobj（‘marker’，‘x’），‘markersize’，8）； set（findobj（‘marker’，‘x’），‘linewidth’，1.5）； 运行该程序即可得到系统的根轨迹图。

2、绘制负反馈控制系统的根轨迹图，程序代码如下： ＞＞num=[1 2]；

den1=conv（[1 0]，[1 4]）； den2=conv（[1 8]，[1 2 5]）； den=conv（den1，den2）； G=tf（num，den）； rlocus（G）；

axis（[-14 6-10 10]）； title（‘单位负反馈系统根轨迹图’）

set（findobj（‘marker’，‘x’），‘markersize’，8）；X-点标志 set（findobj（‘marker’，‘x’），‘linewidth’，1.5）；

set（findobj（‘marker’，‘o’），‘markersize’，8）；O-零点标志set（findobj（‘marker’，‘o’），‘linewidth’，1.5）； 运行该程序即可得到负反馈系统的根轨迹图。

3、绘制正反馈控制系统的根轨迹图，程序代码如下： ＞＞num=-[1 2] den1=conv（[1 0]，[1 4]）； den2=conv（[1 8]，[1 2 5]）； den=conv（den1，den2）； G=tf（num，den）； rlocus（G）；

axis（[-14 6-10 10]）； title（‘单位正反馈系统根轨迹图’）；

set（findobj（‘marker’，‘x’），‘markersize’，8）；

set（findobj（‘marker’，‘x’），‘linewidth’，1.5）； set（findobj（‘marker’，‘o’），‘markersize’，8）； set（findobj（‘marker’，‘o’），‘linewidth’，1.5）； 运行该程序即可得到正反馈系统的根轨迹图。

六、实验报告要求

1、根据题目要求，编写出绘制各系统的根轨迹图的程序，并绘制各系统的根轨迹图。

2、研究系统临界稳定的条件。

七、实验思考题

1、如果根轨迹放大倍数过大，会对系统性能有那些影响？

2、在MATLAB系统图中，如何实现负反馈和正反馈？

4、如何根据系统主导极点的要求，来确定系统的根轨迹放大倍数？

5、如何根据系统的要求，确定系统的分离点和汇合点？

实验四 典型环节和系统频率特性的测量

一、实验目的

1、了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法；

2、根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)USB通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、惯性环节的频率特性测试；

2、二阶系统频率特性测试；

3、频率响应分析；

4、由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数；

5、用MATLAB软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。

四、实验原理

设G(S)为一最小相位系统（环节）的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为Xm、频率为的正弦信号，则系统的稳态输出为

yYmsin(t)XmG(j)sin(t)① 由式①得出系统输出，输入信号的幅值比 YmXmG(j)G(j)② XmXm显然，G(j)是输入X(t)频率的函数，故称其为幅频特性。如用db（分贝）表示幅频值的大小，则式②可改写为

L()20LgG(j)20lgYm ③ Xm在实验时，只需改变输入信号频率的大小（幅值不变），就能测得相应输出信号的幅值Ym，代入上式，就可计算出该频率下的对数幅频值。根据实验作出被测系统(环节)的对数幅频曲线，就能对该系统（环节）的数学模型作出估计。

五、实验步骤

1、绘制一阶惯性环节的伯特图 G（s）= 程序代码如下： 4s113 》num=1;den=[4 1]； G=tf(num,den);bode(G,‘r’);

wn22、绘制二阶惯性环节的伯特图 G（s）=22grid on;,其中Wn=0.8，s2w1，1.5，2 nw=0.1，0.5，n程序代码如下：

》W=logspace（-2，2，200）;Wn=0.8；

for zeta=[0.1 0.5 1 1.5 2] G=tf([Wn* Wn],[Wn^2 2*zeta* Wn Wn* Wn]);bode(G,W);hold on;grid on;end

500(0.0167s1)

1、已知某系统的开环传函为G0（s）=

s(0.05s1)(0.0025s1)(0.001s1)

试绘制系统的伯特图，并求系统的相角稳定裕量和幅值稳定裕量。绘制对数幅频特性图，程序代码如下： num=500*[0.0167 1];den1=conv([1 0],[0.05 1]);den2=conv([0.0025 1],[0.001 1]);den=conv(den1,den2);G0=tf(num,den);W=logspace(0,4,50);bode(G0,w)； grid on;确定系统的相角稳定裕量和幅值稳定裕量，程序代码如下： 》margin(G0)[Gm，Pm,Wcg,Wcp]=margin(Go)

六、实验报告要求

1、写出被测环节和系统的传递函数，绘出它们的Bode图。

2、用上位机实验时，根据由实验测得二阶闭环频率特性曲线，求出相应的参数。

七、实验思考题

1、在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？

3、根据上位机测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？

实验五

串联校正环节的设计

一、实验目的

1．学习使用MATLAB绘制根轨迹和伯德图。

2．熟悉使用根轨迹法和频率特性法设计典型滞后环节。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、有一单位反馈系统，其开环传递函数为G(s)K，试用根

(s0.5)(s0.1)(s0.2)轨迹设计一个滞后校正环节，要求对应主导极点的ζ=0.5，K=10,以满足性能指标的要求。

2、有一单位反馈系统的开环传递函数为G(s)0.08K,试用频率特性法设计

s(s0.5)一个滞后校正环节，使得Kv≥4,相位裕量(c)500，超调量Mp≤30%。

四、实验原理

1、利用MATLAB画出校正前系统的根轨迹图，求出当K?时，系统的主导极点，求出这时系统的阻尼比。根据题目要求，设计滞后校正环节参数，满足系统性能指标的要求。

2、利用MATLAB画出校正前系统的频率特性，求出这时系统的性能指标，根据题目要求，设计滞后校正环节参数，并利用MATLAB画出校正后系统的频率特性，满足系统性能指标的要求。

五、实验步骤

按实验内容讲法如下：

解：1.校正前系统的根轨迹如下：

set(findobj(„marker‟,‟x‟),‟markersize‟,8)c=conv([1,0.5],[1,0.1])

set(findobj(„marker‟,‟x‟),‟linewidth‟,1.5)b=conv([c],[1,0.2])

存盘看跟轨迹，得如下图： num=[1] den=[b] h=tf(num,den)rlocus(h)axis([-1.6 0.4-1 1])

由图中可以看到：当0.5时，根轨迹放大倍数为K*0.0165 看根 format long g c=conv([1,0.5],[1,0.1])b=conv([c],[1,0.2])num=[1] den=[b] h=tf(num,den)%rlocus(h)%[r,k]=rlocus(num,den)[r]=rlocus(num,den,0.0165)存盘看根 r = 这时，系统的三个根分别为：

Columns 1 through 2

-0.***-0.*** +

0.***4289i

Column 3

-0.***

0.***i 0.***/0.07***311=7.8＞5

*0.0113 所以，两个共轭复根是主导极点，可以认为当根轨迹放大倍数为Kkp时，系统呈现二阶欠阻尼特性。且阻尼比等于0.5。

2.1）原系统传递函数为：G0(s)0.08K0.08K0.16K s(s0.5)0.5s(s/0.51)s(s/0.51)KVlimsG0(s)limss0s00.16K0.16K

4所以K25

s(s/0.51)42 s(s/0.51)s(s0.5)所以原系统传递函数为：G0(s)画波特图程序： c=conv([1,0],[2,1])num=[4] den=[c] G=tf(num,den)Bode(G,‟b‟)

b表示画出的线是兰色 grid on

画图以网格线出现 运行

φ（w）-滞后角

在相频特性找-120度,f=0.29点

在幅频高度=21.5db处幅频折线要下移21.5db.画出原系统对数渐进幅频特性曲线如下： L-1 18-2 ω 0.1 0.5 1.414 原系统传递函数为：G0(s)42 s(s/0.51)s(s0.5)2n与标准的传递函数比较G0(s)得到：n21.414 2n0.5

s(s2n)0.510.177由此得到相角裕度： 2n42214422arctan20.177140.177420.1772arctan0.3542000.9685arctan显然小于要求的相角裕度500 超调量：%e/12e0.56557%显然大于要求的30%。

原系统不满足要求。根据题目要求，采用滞后校正。

原系统的相角计算如下：

(c)900arctanc0.5

相位裕量1800(c)1800900arctan取相位裕量600

得到c0.29

c0.5

420lg13.822.8(dB)0.2910.29所以20lg22.8由此得到：b0.0725

b411取0.1c20.029

由此得到：T476 0.002 1bTT校正后的系统的对数频率渐进曲线如下： 校正后系统的传递函数为： 在截止频率原系统的幅频为20lgG(s)4(bTs1)4(bTs1)4(34.5s1)s(s/0.51)(Ts1)s(s/0.51)(Ts1)s(s/0.51)(476s1)G(s)bTs134.5s1s/0.0291 G0(s)Ts1476s1s/0.00211由G(s)G0(s)Gc(s)得到Gc(s)画图程序如下：

num=4*[34.5 1] c=conv([1,0],[2,1])den=conv([c],[476,1])G=tf(num,den)Bode(G,‟b‟)L-1 22.8 18-2-2-1 0.0021 0.029 0.1 0.29 0.5-2 1.414 ω

校验校正后系统参数：

0.290.290.291800arctan900arctanarctan54.70

0.0290.00210.5因为校正后的系统为高阶系统，采用教材中220页公式（6-8）-（6-10）如下： Mr（6-8）

谐振峰 sinMr11.23 0sin54.71Mr1.8

（6-9）0.160.4(Mr1)由公式（6-9）0.160.4(1.231)0.2520.所以校正后系统满足指标要求

六、实验报告要求

1．对于根轨迹校正法，给出如下内容：(1)原系统的稳态速度误差系数KP(2)校正后的系统稳态速度误差系数Kp(3)校正环节的传函GC(S)2．对于频率特性校正，给出如下内容：(1)新增益穿越频率Wc‟和a值(2)原相位裕量Pm(3)校正环节的传函GC(S)3． SIMULINK 搭建未校正系统的模块图，观察其超调量；校正好后，将校正环节串入原系统，观察其超调量。写出实验体会并进行校正前后的比较。

七、写出设计性实验心得

实验六

离散控制系统的设计

一、实验目的

1、使用MATLAB判断线性离散系统的稳定性。

2、使用MATLAB进行线性离散系统的时域分析。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、给定系统传递函数为：

G(s)2 s2s试判断下列两种情形时系统的稳定性。（1）采样时间T1s时；（2）采样时间T2s时。

2、设系统的传递函数为

Gp(s)10

(s1)(s2)采样时间分别为T0.5s,1s,1.5s,2s时，试分别绘制此系统的脉冲响应和单位阶跃响应。

四、实验原理

1、线性离散系统稳定的充要条件是：当所有的特征根的模都小于1时，系统稳定；如果模的值大于1时，系统不稳定。即i1（i=1,2,„,n）

2、采用单位脉冲和单位阶跃作为输入信号，研究线性离散系统的过渡过程。

五、实验步骤

1、程序代码如下： ＞＞num=[2]；

den=[1 1 0]； G=tf（num，den）；

G1=c2d（G，1）；

将连续系统模型转换成离散模型 G2=c2d（G，2）；

将连续系统模型转换成离散模型

y1=G1.den{1}+[zeros（1，length（G1.den{1}）-length（G1.num{1}））G1.num{1}]； y2=G2.den{1}+[zeros（1，length（G2.den{1}）-length（G2.num{1}））G2.num{1}]； 带零阶保持器的分子与分母的维数（阶次）必须相同，上面语句表示分子与分母各项系数相加。r1=roots（y1）r2=roots（y2）

运行该程序后，即可判断系统的稳定性。

2、（1）脉冲响应程序如下： ＞＞num=[10]；

den=conv（[1 1]，[1 2]）； G=tf（num，den）； for T=0.5：0.5：2

Gd=c2d（G，T，‘tustin‟）；

Dimpulse（Gd.num，Gd.den）； hold on； impulse（G）； end 运行该程序后，可得到单位脉冲响应曲线。（2）单位阶跃响应程序如下： ＞＞num=[10]； den=conv（[1 1]，[1 2]）； G=tf（num，den）； for T=0.5：0.5：2

Gd=c2d（G，T，‘tustin‟）；

dstep（Gd.num，Gd.den）； hold on； step（G）； end 运行该程序后，可得到单位阶跃响应曲线。

六、实验报告要求

1、编写判别线性离散系统稳定性、单位脉冲和单位阶跃响应的程序。

2、绘制线性离散系统单位脉冲和单位阶跃响应曲线。

3、分析采样时间对线性离散系统稳定性的影响。

4、分析采样时间对线性离散系统动态性能的影响。

5、结合实验中遇到的问题说出自己的看法和体会。

七、实验思考题

1、如果采样时间过大，会在实验中产生什么后果？

2、如何将连续系统模型转换为离散系统模型？

3、试比较连续系统的动态响应曲线和离散系统动态响应曲线的差别？

实验七 典型非线性环节的静态特性

一、实验目的

1、了解典型非线性环节输出——输入的静态特性；

2、掌握典型非线性环节电路模拟的研究方法。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根

3、双踪慢扫描示波器1台(可选)

4、万用表1只

5、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、继电器型非线性环节静特性的电路模拟；

2、饱和型非线性环节静特性的电路模拟；

3、具有死区特性的非线性环节静特性的电路模拟；

4、具有间隙特性的非线性环节静特性的电路模拟。

四、实验原理

控制系统中元件的非线性有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、继电性特性和间隙特性，基于这些特性对系统的影响是各不相同的，因而了解它的输出－输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析。

有关上述四种典型非线性元件的静态特性和模拟电路，请参见附录。

五、实验步骤

1、利用实验设备，设计并连接继电型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。

2、用正弦信号测试继电型非线性环节的静态特性

1)不用上位机时，把实验平台上的“低频函数信号发生器”单元的输出端与继电型非线性环节输入端相连，当“低频函数信号发生器”输出一个正弦信号（或周期斜坡信号，其频率一般均不超过10Hz）时，便可用示波器的X-Y显示模式观测该环节输入与输出的静态特性曲线。2)用上位机时，可利用上位机提供的“虚拟示波器”与“信号发生器”的功能测取继电型非线性环节的静态特性曲线。接线时把采集卡接口单元中输出端DA1与非线性环节的输入端相连（同时也与采集卡接口单元中的输入端AD2相连），非线性环节的输出则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连，并接好采集卡接口单元与PC上位机的并口通信线。待接线完成并检查无误后，在上位机启动“THBCC-1”软件，其具体操作步骤如下：

① 在用户“登录窗口”中输出自己的学号，并点击“登录”按钮进入软件主窗口。

② 点击工具栏上的“实验选择”按钮，选择相应的实验项目。

③ 点击 “通道设置”按钮，选择相应的数据采集通道，然后点击“开始采集”按钮，进行数据采集。

④ 点击“虚拟示波器”按钮，选择“X-Y”图显示模式，然后顺序点击“启动”、“开始”按钮。

⑤ 点击 “信号发生器”按钮，选择“正弦波信号（或周期斜坡信号，其频率一般为5Hz左右）”，并把幅值设为2V，然后点击“ON”按钮即可观测非线性环节的静态特性曲线。

⑥ 点击“暂停”及“存储”按钮”，保存实验波形。

1.继电器型非线性环节

图7-1 继电型非线性环节模拟电路（电路单元：非线性单元和电位器组）在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y(虚拟示波器上的Plot XY模式，本实验中其它部分相同)显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M值的大小并记录。

1.1 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时； 1.2 当47K可调电位器调节至约3.6K(M=2)时； 1.3 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时； 1.4 当47K可调电位器调节至约10K(M=6左右)时；

注：本实验中所采用的正弦波最好用实验台上的“低频函数信号发生器”提供。2.饱和型非线性环节

设计并连接饱和型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。具体步骤请参考本实验的实验步骤2。

图7-2 饱和型非线性环节模拟电路（电路单元：非线性单元和电位器组）在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。将前一级运放中的电位器值调至10K(此时k=1)，然后在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M和k值的大小并记录。

2.1 当后一级运放中的电位器值调至约1.8K(M=1)时； 2.2 当后一级运放中的电位器值调至约3.6K(M=2)时； 2.3 当后一级运放中的电位器值调至约5.4K(M=3)时； 2.4 当后一级运放中的电位器值调至约10K时；

注：为了更好的观察实验效果，“THBCC-1”软件的时基最好设为-10～+10或自动。3.死区特性非线性环节

设计并连接具有死区特性的非线性环节（可参考本实验附录的图6-3）的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。具体步骤请参考本实验的实验步骤2。

图7-3 死区特性非线性环节模拟电路（电路单元：非线性单元、反相器单元和电位器组）

在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。在 下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio和k值的大小并记录。

3.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时； 3.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时；

注：本实验的±E值也可采用±5V。

4.具有间隙特性非线性环节

设计并连接具有间隙特性的非线性环节（可参考本实验附录的图6-4）的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。具体步骤请参考本实验的实验步骤2。

图7-4 间隙特性非线性环节模拟电路（电路单元：非线性单元、U4、U9和电位器组）在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio和k值的大小并记录。

4.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时； 4.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时；

注意由于元件（二极管、电阻等）参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。

注：本实验的±E值也可采用±5V。

5、点击“实验报告”，根据实验时存储的波形完成实验报告。

六、实验报告要求

1、画出各典型非线性环节的模拟电路图，并选择好参数。

2、根据实验，绘制相应的非线性环节的实际静态特性，与理想的静态特性相比较，并分析电路参数对特性曲线的影响？

七、实验思考题

1、带回环的继电器特性电路中，如何确定环宽电压？

2、模拟继电型电路的特性与理想特性有何不同？为什么？

3、饱和特性电路中的限幅网络改接在反馈回路，对特性有何影响？ 实验八 PＩＤ的控制作用（设计性）

一、实验目的

1.了解PID控制器中P，I，D三种基本控制作用对控制系统性能的影响。2.进行PID控制器参数工程整定技能训练。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件)USB口通信线1根

4、万用表1只

5、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、PID控制器的数学模型为：

GcKp{e1deedtT} dTidt2、控制对象的数学模型为：

11.89sG(s)e

24s

13、使用Z-N法整定PID参数。

四、实验原理

1、利用PID控制器改善系统动态性能指标。

2、研究PID三个参数对系统性能的影响。

五、实验步骤

1、利用MATLAB搭建系统图（学生自己做）；

2、令Ti、Td0，使用Z-N法确定PID参数，并求出系统的性能指标，即上升时间tr、最大超调量%和调节时间ts；

3、分别调整PID三个参数，观察系统性能指标的变化。

六、实验报告要求

1、使用MATLAB画出系统结构图；

2、根据实验，绘制等幅振荡曲线、按Z-N法整定PID参数时系统响应曲线；

3、编写求系统动态性能指标的程序；

4、求出系统性能指标最佳时PID的三个参数。

七、实验思考题

1、Kp过大和过小对系统动态性能有何影响？

2、Ti过大和过小对系统动态性能有何影响？

3、Td过大和过小对系统动态性能有何影响？

4、Td改进动态系统性能指标的原理。

附录

硬件的组成及使用

一、直流稳压电源

直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。

实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。

实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。

二、低频函数信号发生器及锁零按钮

低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7KHz、700Hz～10KHz三档，Vp-p值为16V。

使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。

另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。

三、阶跃信号发生器

阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围为-5～+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。

注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。

四、低频频率计

低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz～10.0KHz。

低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。

另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。

注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。

五、交/直流数字电压表

交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（±5‟）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。

六、通用单元电路

通用单元电路具体见实验平台所示“通用单元电路**”单元、“带调零端的运放单元”“反相器单元”和“无源元件单元”。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF，其中通用单元电路二、三、九反向输入端有0.1uF电容，通用单元电路八反向输入端有4.7uF电容，可作带微分的环节。

以通用单元为例，现在搭建一个积分环节，比例常数为1s。我们可以选择常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用单元电路二是满足要求的，把对应100k和10uF的插针使用短路帽连接起来，锁零按钮按下去先对电容放电，然后用二号导线把正单位阶跃信号输入到积分单元的输入端，积分电路的输出端接入反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。观察输出曲线，其具体电路如下图所示。

七、非线性单元

由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k、47k电位器由电位器组单元提供。例如47k电位器，既可由一号导线连接也可由二号导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。

CR0R0uiR-++-++uo以连接死区非线性环节为例，输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个10k可调电位器的固定端，分别用导线连接；正电源所连电位器的可调端与D1相连，另一个可调端与D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出10Hz16v的正弦波，用导线连接到非线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线，用万用表测量R的阻值，然后再接入电路中。

八、零阶保持器

零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。

九、数据采集接口单元

数据采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。

数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。

使用虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中 AD端；若使用采集卡中的信号源，用DA输出（即实验中我们通常将信号输入到AD1端，软件内部信号DA1输出）。

十、实物实验单元

抽屉原理教案 篇6

主持：大家好，今天的炫我两分钟由我来主持，今天呢我来给大家变个魔术，这就是我要用的道具：扑克牌，(举起来给大家看)谁能大声的告诉我一副扑克牌有多少张呢?

生：54张。

主持人：声音洪亮的同学一会儿我要请你来和我共同完成这个魔术哦。现在我把大王小王这两张牌去掉，(扣在桌子上)现在剩下多少张了呢?

生：52张。

主持人：我要请一个同学帮我洗一下牌，打乱他们的顺序，谁愿意。(请最近的一个同学洗牌)。好了，现在这副牌被彻底的打乱了顺序，接下来我要请5名同学到台上来，(快速确定人选)谁愿意参与?我这魔术成不成功全仰仗你们了，现在你们每人抽取一张牌，偷偷的看一眼，千万不要告诉别人你抽到了什么?记住规则了吗?(让5名同学每人抽出一张牌)，好，除了你们自己，谁都不知道你们抽到了什么?但我敢肯定地说：“你们抽到的这5张扑克牌至少有2张是同一种花色的，(大屏幕显示)大家相信我的判断吗?见证奇迹的时候到了，请你们一一亮出手中的牌，大家赶快帮我找一下是不是至少有2张牌是同一花色的?

生：是。

如果有学生说：你猜的不对，有3张牌都是红桃。

主持：我说的是至少有2张牌，那一定是2张牌吗?

生：不一定，至少有2张，可能是2张，也可能是3张、还可能是4张，还可能是5张都是同一花色的。

主持：解释的非常好，我说至少有2张牌是同一花色的，但我没规定到底是哪一种花色，可能是红桃、也可能是黑桃、可能是方片、也可能是梅花。不管是哪一张花色，总有一个花色会出现至少2张相同的。现在有( )张都是( )花色，说明我的判断是正确的。

我的表演到此结束，掌声在哪里?谢谢大家。

师：溪纯的魔术变得真不错，有好些同学都在羡慕他的料事如神，怎么一猜就中了呢?其实这个魔术不仅他会变，你也会变，秘密在哪呢?学完这节课之后大家就会明白了，这节课我们就共同来探究《抽屉原理》。

师：面对这个课题，你有什么疑问呢?

生：什么是抽屉原理?

生：抽屉原理与刚才的魔术有什么关系?

生：学习抽屉原理有什么用?

师：带着这些问题进入我们今天的课堂。

(设计意图：以魔术的形式激发学生的学习兴趣，巧妙的向学生初步渗透了“不管怎样”、“总有一个”“至少”等概念。使学生初步感知“抽屉原理”的基本思想，同时也引发了数学思考。)

(二)尝试小研究

课前的时候，老师让大家进行了尝试研究。在小组交流之前，快速浏览老师给出的小组交流要求。谁能大声的给大家读出来。

好，开始组内交流

《抽屉原理》课前尝试小研究

把3本书放进2个抽屉中，可以怎样放?找出所有不同的摆放情况。可以用手中的笔代替书摆一摆，也可以画一画。

1、我找到的摆放情况：

我找到了( )种不同的摆放情况。

3、观察第一种摆放情况，哪个抽屉里放书本书最多，用彩笔圈出来。依次圈出其它摆放情况中放书最多的那个抽屉。

4、仔细观察每种摆放情况中放书最多的那个抽屉。

我的发现：放书最多的抽屉至少放进了( )本书。

《抽屉原理》课上尝试小研究

我们小组研究的是把( )本书放进( )个抽屉中。

我们组的方法是：

我们组的结论是：总有一个抽屉至少放( )本书。

(设计意图：通过自主性、开放性的操作活动让学生体会假设法的简洁性。)

(三)、小组合作探究。

师：希望你们在交流的时候，牢记这些注意事项，并落实到你们的行动中，好开始组内交流。

组内交流尝试小研究。

出示合作指南：1、组长组织本组成员有序进行交流。

2、认真倾听其他组员的发言，如有不同意见，敢于发表自己的想法。

3、组长带领大家重点讨论有不同意见的题目，并达成一致的意见。

4、再次确认发言顺序，准备全班交流。【设计意图：培养孩子认真倾听的好习惯，增强组内成员之间的互惠互赖，让每一个人都有所进步。】

(四)、班级展示。

师：老师刚才发现某某小组在今天的交流中表现得非常好，所有成员能够做到认真倾听，而且能够及时补充自己的不同意见，为他们小组加上1分。今天哪个小组愿意把你们的交流的结果与大家一起分享呢?

全班交流

师：通过我们小组的共同努力，出色的完成了本次的汇报任务，奖励你们小组一颗团结合作星。

(五)、教师点拨提升

1、运用枚举法探究原理

生1：我找到的摆放情况是第一种：第一个抽屉里放2本书，第二个抽屉里放1本书。第二种是第一个抽屉里放1本书，第二个抽屉里放2本书。大家同意我的意见吗?

生2：我认为除了这2种情况之外，还可以是第一个抽屉里放3本书，第二个抽屉里不放书。或者第一个抽屉里不放书，第2个抽屉里放3本书。大家同意我的意见吗?(放在展台上)

生3：把3本书放进2个抽屉中，我认为是每个抽屉里都必须放有书。

生2：把3本书放进2个抽屉中，只要是保证把3本书都放进抽屉里就可以了。有个抽屉可以是0本书。

师:确实如某某所说，只要确保把书都放进去就可以了，某个抽屉是允许不放书的。我们来看一下这是某某同学总结的摆放情况，你们认为这样写好不好?好在哪?

生：特别清楚，简单。

师：老师还发现了某某同学这样的记录方式，你能看得懂吗?这就是数学符号的优点所在：简洁，记录方便，一目了然，希望同学们能够学到这种记录的好方法。好，组长继续交流下一题。

生1：我们小组找到了四种不同的摆放方法。

生2：老师，我有不同意见，我能用两句话来概括这四种情况。一种是：一个抽屉放2本，另一个抽屉放1本。另一种是：一个抽屉放3本，另一个抽屉不放。

师：大家认为他说的有道理吗?当我们不考虑抽屉的顺序，1、2种可以合成一种情况：一个抽屉放2本，一个抽屉放1本，3、4种也可以合成一种情况就是一个抽屉放3本，另一个抽屉放0本。

师：好，继续交流。

生:第一种摆放情况我圈出了2本书，第二种也圈出了2本书，第3、4种我圈出了3本书。

生：放书最多的那个抽屉至少放进了2本书。

生：至少是什么意思?

生：至少2本，就是最少2本，可以比2本多。

生：我们小组汇报完毕，哪个小组有补充、评价或疑问?

生：你们小组声音洪亮，很好。

生：今天某某表现很好，进步很大。

师：通过我们小组的共同努力，出色的完成了本次的汇报任务，给你们小组加上2分。

师:刚才我们研究了把3本书放进2个抽屉中，我们列举出了所有的摆放情况，老师用表格的形式进行了总结，我们一起来看大屏幕，这种一一列举的方法在数学上成为枚举法(点击课件)。现在我们仔细观察各种摆放情况，我们需要关注的是那些抽屉呢?

生：关注每种放法中放书最多的那个抽屉。

师：有放3本的，有放2本的，还有装得更少的情况吗?所以我们得到至少放2本书。放书最多的那个抽屉一定是第一个抽屉吗?

生：不一定，还可能是第二个抽屉。

师：看来我们关注的是放书最多的抽屉至少放进了几本书,无论放哪个抽屉都是可以的。那如果现在有4本书要放进3个抽屉中，无论怎样放，总有一个抽屉至少放进了( )本数呢，赶快开动脑筋，仔细想一想吧。

师：有些同学在这么短的一个时间内每能一下子得到结论，没关系，你可以把你想到的摆放情况说出来，谁来说?

生：我想到的是第一个抽屉放4本书，第二个抽屉和第三个抽屉1本都不放。

师：这种摆法方法我们给记作(4、0、0)，刚才说到了我们要关注放的最多的那个抽屉，这4本书一定放在第一个抽屉吗?还可以怎样放?

生：(0、0、4)(0、4、0)。

师：找的真有顺序，非常好，还有其它放法吗?直接把你的方法有这种形式表现出来。

生：(1、2、1)，还可以是(1、1、2)(2、1、1)

师：真不错，自己就关注了放书最多的那个抽屉。继续，还有其它放法吗?

生：(1、3、0)(1、0、3)(3、1、0)。

师：我们来总结一下看看每种放法中放的最多的那个抽屉里放了几本书。

生：4本、3本、2本。

师：那现在你知道无论怎样放，总有一个抽屉至少放进了几本书了吗?

生：总有一个抽屉至少放进了2本书。

(设计意图：怎样帮助学生理解抽屉原理模型中的“不管怎么放”、“总有一个”、“至少”等词语表达的意思呢?在上述教学中，先让学生动手操作、画图，找出“把3本书放进2个抽屉里”的所有分放方法，目的是让学生真正体会并得到所有的分放方法。接着，通过教师的追问，引导学生体会、理解“不管怎么放”、“总有一个”、“至少”的含义，为自主探究解决问题扫清了障碍。)

2、运用假设法探究原理

师：除了这种一一列举的方法之外，谁还有不同的方法。如果书和抽屉的数量在多一些，你们感觉这种一一列举的方法怎么样?

生：太麻烦。

师：我们研究的是在每种摆放情况中放书最多的那个抽屉里至少放进了几本书。怎样能使这个放得最多的抽屉里尽可能的少放?先独立思考，有了想法后，对学的2个人可以先交流一下。

生：平均着放。

师：把你的想法说的具体些。

生：先把书平均着放，每个抽屉里放一本，然后剩下的1本再放进其中一个抽屉里。

(师根据学生回答演示摆放的过程)

师：为什么要先平均分?

生3：因为这样分，只分一次就能确定总有一个抽屉至少有几本书了。

师：好!先平均分，每个抽屉里放1本，余下1本，不管放在哪个抽屉里，一定会出现总有一个抽屉里至少有――

生：2本书。

师：你们感觉这种方法怎么样。

生：好。

师：好在哪?

生：快。

师：这个办法真是妙，只分一次就能确定总有一个抽屉至少有几本书了。

谁能用除法算式表示出刚才的思考过程呢?

生：4÷3=1(本)……1(本) 1+1=2(师板书：)

师：你能解释算式中每个数的意义吗?

生：4是书的本数，3是抽屉数，把4本数平均放入3个抽屉，每个抽屉中是1本，即商是1，还剩下1本，就可以随意放进任何一个抽屉，因此必定有一个抽屉至少有2本书。

师：也就是说被除数是我们所要分的物体的个数，除数是抽屉的个数。上面是4本书放入3个抽屉，如果是7本书放进3个抽屉中，又将得到怎样的结果呢?你能用最快的方法告诉大家吗?

生：7÷3=2(本)……1(本)，每个抽屉至少放进了2+1=3本书。

师：我们来看一下大屏幕，课件演示分的过程。

(反思：在交流时，抓住两种方法的本质和关键加以引导，并进行归纳提炼，使学生初步感受和体验枚举法与假设法的不同。将假设法最核心的思路用“有余数除法”形式表示出来，将思维过程与数学符号联系起来，体现了数学的简洁美，并为后面发现规律埋下伏笔。)

师：仔细观察这2个算式，你发现了什么?

预设：用书的本数÷抽屉数=商……余数，至少数等于商加1，至少数等于商加余数。

师：我们通过把4本数放进3个抽屉，和把7本数放进3个抽屉得到了至少数等于商加余数这个结论，那这个结论是否是否适用于所有的情况呢?如果用不同的书的数量和抽屉数又将得到怎样的结论呢?

请看老师给出的小组探究要求：小组商量确定好书的本数，抽屉的个数(书的本数要比抽屉的个数多，为了研究方便，要化繁为简，尽量选择小于20的数字进行研究，而且书的本数和抽屉书不成倍数关系)记录能最快得出结论的一种放法;总结得出的结论。

完成课上尝试小研究。

小组选取代表进行汇报：教师进行板书。

预设：对于余数不为1的情况可能产生分歧：比如5÷3=1本……2(本)，有的同学可能认为总有一个抽屉至少放1+1=2本书，有的同学可能认为总有一个抽屉至少放1+2=3本书，教师要组织学生进行讨论。

生1：“总有一个抽屉里的至少有3本”只要用5÷3=1(本)……2(本)，用“商+ 2”就可以了。

生3：不同意!先把5本书平均分放到3个抽屉里，每个抽屉里先放1本，还剩2本，这2本书再平均分，不管分到哪两个抽屉里，总有一个抽屉里至少有2本书，不是3本书。

师：现在大家都明白了吧?那么怎样才能够确定总有一个抽屉里至少有几个物体呢?

生：用书的本数除以抽屉数，再用所得的商加1，就会发现“总有一个抽屉里至少有商加1本书”了。

师：看来，真理确实是越辩越明!同学们的这一发现，称为“抽屉原理”。也就是把m个物体任意放进n个空抽屉里(m>n,n是非0的自然数)，如果m÷n=b……c，那么一定有一个抽屉中至少放进了多少个?

生：至少放进了“b+1”个物体。

师：课前的时候有人提问：什么是抽屉原理，现在你知道了吗?你知道抽屉原理最先是由谁发明的吗?我们来看大屏幕。“抽屉原理”最先是由19世纪的德国数学家狄利克雷提出来的，所以又称“狄里克雷原理”，也称为“鸽巢原理”。(课件呈现资料)

(反思：余数不为“1”时，余下的物体怎么分是学生学习的难点。教学中，给予学生充足的思考时间和探索空间，让学生充分发表见解，使学生从本质上理解了“抽屉原理”，有效地突破了难点。通过背景知识的介绍，激发学生热爱数学的情感和勇于探究的精神。)

(六)巩固练习。

1、解释炫我2分钟中的魔术现象。

师：有人在课前的时候提到“抽屉原理”与溪纯变的魔术有什么关系呢?你现在能解释“为什么抽到的5张牌中至少有2张是同一花色的”吗?这道题中又是把谁看成了书，谁看成了抽屉呢?有几个抽屉呢?

生：把5张牌看成书，把4种花色看成4个抽屉，5÷4=1……1，所以至少有2张牌是同一花色的。

拓展：一副扑克牌，拿出大小王之后，至少抽出多少张才能保证2张牌大小相同。

师:原来这么神秘的魔术应用的就是一个数学原理：抽屉原理。那抽屉原理还有哪些用处呢?

2、43名师生中至少有几人在同一月出生。

师：我们班一共有43名同学，至少有几人在同一个月出生呢?

生：43÷12=3……7，至少有4人同一个月生日。

师：在这道题中又是把谁看成了书，谁看成了抽屉呢?有几个抽屉呢?

生：把43个人看成了书，12月看成了12个抽屉。

师：我们又一次体会到了抽屉原理的应用，接下来老师要加大难度了，敢迎接挑战吗?

3、一个袋子中放着红黄蓝绿4中颜色的球各若干个，至少摸出几个才能保证有2个同一种颜色的球?

师：先猜一猜。

生试着猜测。

师：这道题属于抽屉原理吗?求得又是抽屉原理的哪一项呢?在这道题中又是把谁看成了书，谁看成了抽屉呢?有几个抽屉呢?

生：4种颜色的球是4个抽屉，求的是( )÷4=1……1

师：说的真好，看来这类摸球问题也属于抽屉原理，你们可真是火眼金睛呀。

(七)总结收获。

通过这节课的学习，你有什么新的收获?

师：以上就是本节课的内容，同学这节课的学习，你们有什么新的收获呢?

这节课我们学习了抽屉原理，知道了可以用一一列举的方法，也可以用平均分的方法，这种方法更加的简捷、快速，我们还体会到了生活中很多现象可以用抽屉原理来解释，课下的时候继续思考生活中哪些现象可以用抽屉原理来解释，写在你的数学日记中。

网络监听的原理与防范 篇7

当人们舒适地坐在办公室里, 惬意地享受网络带来的便利, 收取E-mail或者购买喜欢的物品的时候, 他们的信件和信用卡账号变成了一个又一个的信息包, 在网络上不停地传送着, 人们是否想过这些信息包会通过网络流入别人的机器呢?这可是实实在在的危险, 因为网络监听工具就能够实现这样的功能。

网络监听是黑客在局域网中常用的一种手段, 它能在网络中接收别人的数据包, 其接收的目的就是分析和处理这些数据包, 从而获得一些有用的信息, 如账号和密码等。其实网络监听原本是网络管理员经常使用的一个工具, 主要用来监视网络的流量、状态、数据等信息, 比如Sniffer Pro就是许多系统管理员手中的必备工具。

为了更好地说明网络监听的工作原理, 我们先介绍一下网卡和集线器的工作原理。以太网是现在应用最广泛的计算机连网方式, 下面都用以太网来讲解。

1 网卡的工作原理

网卡工作在数据链路层, 计算机之间通过网卡交换数据时, 这些数据是以帧的方式进行传输, 一般帧结构由前导码、帧首定界符、目的MAC地址、源MAC地址、长度、逻辑链路层协议数据单元和帧检验序列组成, 各个部分都有各自不同的功能。

当目的机器的网卡收到传输来的数据时, 网卡先接收数据头的目的MAC地址, 通常情况下, 像收信一样, 只有收信人才去打开信件, 同样网卡只接收和自己地址有关的信息包, 即只有目的MAC地址与本地MAC地址相同的数据包或者是广播包, 网卡才接收。否则, 这些数据包就直接被网卡抛弃。

网络还可以工作在另一种模式中, 即“混杂”模式。此时网络进行数据包过滤不同于普通模式, 混杂模式不理会数据包头内容, 让所有经过的数据包都传递给操作系统去处理, 这时计算机就可以轻松获取所有经过该网卡的数据帧了, 如果一台计算机的网卡被配置成这种方式, 那么它就具有网络监听功能。

2 网络监听原理

网络监听的工作原理就是让网卡接收一切它所能接收的数据。Sniffer工作的过程基本上可以分为3步:把网卡置于混杂模式;捕获数据包;分析数据包。

1) 共享式集线器连接的网络

如果办公室里的计算机A、B、C、D通过共享集线器连接。计算机A上的用户给计算机C上的用户发送文件, 根据以太网的工作原理, 数据传输是广播方式的。就是当计算机A发给计算机C的数据进入集线器后, 集线器会把它接收到的数据再发给其他的每个端口, 所以在共享集线器下, 处于同一网段的所有计算机的网卡都能接收到数据, 并检查在数据帧中的地址是否和自己的地址相匹配, 计算机B和计算机D发现目的地址不是自己的, 就把数据帧丢弃, 不予理睬。而计算机C也接收到了数据帧, 并在比较之后发现是自己的, 接下来就将数据帧交给操作系统进行处理, 如图1所示。

同样的工作情况, 如果把计算机B的网卡置于混杂模式 (即在计算机B上安装了网络监听软件) , 那么计算机B的网卡也会对这数据帧产生反应, 把数据交给操作系统进行分析处理, 从而实现了监听, 获取一些有用的信息, 如图2所示。

2) 交换机连接的网络

交换机的工作原理与集线器不同, 普通的交换机工作在数据链路层, 交换机的端口和MAC地址有对应关系, 当交换机接收数据帧时, 交换机会先查看数据帧中的目的地址, 然后按照地址表转发到相应的端口, 其他端口收不到数据, 如图3所示。只有目的地址是广播地址的, 才转发给所有的端口。如果现在在计算机B上安装了网络监听软件, 它也只能收到发给自己的广播数据包, 无法监听别人的数据了。因此, 在交换环境下比集线器连接的网络安全多了。

但是, 并不是说在交换环境下就不会被别人监听了。现在许多交换机都支持镜像的功能, 能够把进入交换机的所有数据都映射到监控端口, 这样就可以监听所有的数据包, 从而进行数据分析, 如图4所示, 镜像的目的主要是为了网络管理员掌握网络的运行情况, 而采用的手段就是监控数据包。

要实现这个功能必须能对交换机进行设置才可以, 所以在交换环境下对于黑客来说很难实现监听的。

3 网络监听的检测

一般来说网络监听是很难被发现的, 因为网络监听只是接收来自网络上的数据, 并没有向其他主机发送或修改任何数据, 所以对可能存在网络监听的网络应采取以下的检测办法。

1) 通过一些专业软件检查网络是否有网卡处于混杂模式, 例如:Anti Sniff反黑客软件。

2) 对怀疑运行监听软件的主机, 可以用正确的IP地址和错误的IP地址进行PING, 如果两个地址都有反应, 则说明该主机有运行监听软件, 因为正常的主机只会接收正确的IP地址并作出反应, 对错误的IP地址是不会接收的, 而运行监听软件的主机则全部接收, 并作出反应。

3) 由于监听软件要分析和处理大量数据包, 会占用大量CPU资源, 导致主机性能下降, 所以可以向网络发送大量无用数据, 以检查和对比该电脑的前后性能, 来推算查找监听主机。

4 网络监听的防范

对于公共网络, 如公司或企业的局域网, 校园网和网吧等, 计算机网络安全的防范工作非常重要, 除了安装必需的防杀毒软件、木马检测程序和防火墙外, 对网络监听的防范可以采取以下措施。

1) 对网络进行分段

对不同功能的网络, 从物理上或逻辑上进行分段, 将可能存在的非法用户与敏感的网络资源进行隔离, 从而防止可能的网络监听。

2) 用交换机代替共享式集线器

由于交换机的端口和MAC地址有对应关系, 在交换环境下是很难进行网络监听的, 除非网络管理员对交换机进行端口映射设置。

3) 采用数据加密技术

采用数据加密办法, 即使被网络监听, 如果没有密钥解密, 显示出来的还是乱码。

5 结束语

网络监听技术是一种工具, 总是扮演正反两个不同的角色, 一方面, 对于入侵者, 为了谋取人个利益, 采用进行网络监听技术, 非法获取用户的帐号、口令等敏感信息, 造成他人的损失。另一方面, 对于网络管理员, 就要想方设法地追踪和监测网络安全情况, 所以必须加强对网络监听技术的研究和发展, 才能保障计算机网络更安全更快速地发展下去。

参考文献

[1]刘远生.计算机网络安全[M].2版.北京:清华大学出版社, 2009.

网络通信原理教案 篇8

关键词:通信原理;教学改革;教学模式;实践教学

一、前言

《通信原理》是通信工程和电子信息专业的专业基础课,既是基础课向专业课的过渡,也是通信电子学科的入门课,在通信类、电子类专业中占有非常重要的地位。这门课的教学直接影响这些专业的教学质量和所培养人才的知识结构及综合能力。这门课的前期基础课程有:电路分析基础、电子电路、高频电路、数字电路等电类基础课以及高等数学、概率论等数学课程,还有信号与系统课程,具有相当大的难度和理论深度。因此,本课程在授课时,如果过分强调数学推导和理论探讨,无疑将使学生产生畏难情绪,难以激发学生的学习兴趣和积极性;但如果完全不涉及理论分析,教学又无法达到本科院校的培養目标,即无法培养出既具备一定专业理论素养又具有较强动手能力的技术应用型人才。

二、理论课程授课方法改革探讨

(一)精选课程教材

目前,国内通信原理的教材非常多,以西安电子科技大学樊昌信教授的《通信原理》、张辉教授的《现代通信原理与技术》、华中科技大学王福昌教授的《通信原理》及清华大学曹志刚教授的《现代通信原理》最为经典。其中樊昌信的教材内容丰富、知识点最为详尽、教材体系最为完整。考虑到我校学生的水平以及许多高校研究生入学考试参考教材采用樊昌信版《通信原理》,因此,我们选用该版本的《通信原理》作为本科生教材,其余作为参考资料。

(二)改革授课内容

由于课时的限制,我们在讲授课程的时候,无法做到面面俱到,必须对讲授的内容做一定的选择。选择教学内容时遵循以下原则:①兼顾通信方向各课程的相关度进行教学内容的合理取舍。一方面尽量减少各课程间的重复内容,另一方面防止课程间存在盲区。②增强教学的实用性,突出数字通信,教学以数字通信为主要内容,模拟通信仅保留调制解调技术。③保证本课程的完整性、系统性。课程以预备知识、模拟通信、数字通信、差错控制为教学结构体系。④以通信的有效性和可靠性为主线,教学内容的删减,其教学主线必须得到体现。根据这四个原则,课程选取主要内容为:预备知识、信道、模拟调制系统、数字基带系统、数字调制系统、模拟信号的数字传输、数字最佳接收和同步原理。课程教学重点放在数字基带系统、数字调制系统、模拟信号的数字传输、数字最佳接收和同步原理。

重视学生对基本概念、基本理论的掌握。一方面,针对一些贯穿整个课程的概念如码元传输速率、噪声平均功率、基带输出信号的带宽、相对码(DPSK)与绝对码9PSK0关系,这些概念容易引起理解偏差和疑义概念,应重点讲述。另一方面,通信原理中还存在一些难于理解的原理,如无误码率传输的奈奎斯特准则、PCM编码13折编码方法、循环码的编译码方法等。我们用课堂例题讲解,课后作业练习方法加强学生对基本原理的理解和掌握。

(三)调整授课顺序

在教学过程中,课程教学内容的顺序十分重要。98 -03级通信原理教学完全按照教材的编排顺序讲解,即预备知识—模拟通信系统—数字通信系统—模拟信号数字传输……学生普遍反映对模拟信号数字传输感到很不理解,他们经常提出为什么会有这章内容,这章有什么作用等问题。因此,从04级开始,调整了教材编排顺序,将模拟信号的数字化放在数字通信系统的前面讲解,而教学内容没有改变。这样改变的结果让学生普遍感觉到对整个课程体系理解加深,所获得知识结构更加牢固。

(四)传统教学方法和现代教学手段相结合

教学手段、教学方法改革是提高教学质量的重要途径。在教学手段上采用传统手段与现代多媒体技术相结合。采用黑板和粉笔的传统教学方法既有优点,也有缺点。由于《通信原理》理论性强,公式推导不少,如果教师花很大一部分时间用在公式推导上,或者用很多时间去写一大串公式,这样效率低下的教学将导致老师和学生都不会满意,教学效果肯定不好。如果完全依赖多媒体教学,简单地把教学内容制成课件,这样教学的信息量虽然大,但是由于教学过程传输的信息快,学生像看电影一样进行理论课程学习,自然不能完全理解教学内容,从而影响听课效果。因此,片面评判单一教学手段的好坏是不正确的。对于复杂公式、各种波形图、频谱图、调制解调框图用多媒体播放,这样教学内容生动而又直观;对于复杂的公式的推导,重要的定理、结论通过板书在黑板上,这样的教学事半功倍,既培养了学生的兴趣,又提高了教学的效果。在教学方法上采用灵活多变的教学方式,引入比较教学法。所谓比较教学法就是比较不同教学内容间联系和区别的一种逻辑思维方法。应用比较教学的关键是确定教学内容间的相同点和不同点,本课程特点是通信系统调制与解调成对出现,模拟通信和数字通信并存,我们选择了调幅、调频、调相的调制解调以及它们的抗干扰性能,数字调制解调与模拟调制解调,模拟通信和数字通信抗噪声性能这些内容作比较教学法的试验。

三、课程建设取得的成果

多年来,我们学校十分重视《通信原理》课程的建设。本课程组以“知识、能力、素质”为教育思想,树立精品意识,分别在师资队伍建设、教学内容更新、教学方法与手段改革、实验教学内容、教材建设研讨、教学过程和环节管理等方面开展了大量深入的教研活动和探索,取得了丰富的教改和教研成果。

(一)积极开展教改项目

为了提高教学质量,深化教学改革,校精品课程已结题,省级精品课程得到立项并在建设中。课程组开展了教学理念的探讨,明确了四个教学思想的转变:使学生学习的重心从接受知识转向知识的探究过程,帮助学生从被动接受知识向主动掌握知识的转化;从应试教育到素质教育思想的转化;从以教师为中心的单向注入式教学,向“教”与“学”相融合的互动式教学转化;从单一传统的教学模式,到运用现代教育手段的教学模式的转化。参观学习了国内外部分优秀大学的相关专业与课程,对于开阔视野、解放思想很有帮助。

(二)革新教学方法、提高教学水平

课程组积极开展多种形式的教研活动,本着紧跟通信技术与理论的新发展,结合我校本专业教学的具体特点与要求的原则,进行革新。如修订教学大纲、教学内容安排、辅助教材建设、教辅软件设计、教研讨论、教学网络建设等,形成了集体交流、学习、观摩、研讨的良好制度,老师们相互听课、取长补短、共同提高教学水平。通过该项工作,课程组现营造起活跃的教研工作交流氛围,建立了定期教学研讨的机制。教研活动推动了教学改革,取得了明显的成效,促进了教学水平的提高。

(三)丰富教学资源

本课程利用的网络环境主要包括“教学管理系统”“网络学堂”。本课程运用“教学管理系统”实行网上选课,解决了全院学生跨专业选课问题。“网络学堂”中包含有本课程组经过多年努力开发的课程电子资源:教学计划、电子教案、课程文本、课程视频、实验指导、习题考试、讨论答疑、学生作品、专题探讨等等。

四、结论

本课程是构成本科专业培养计划的重要单元,是后继专业课程教学活动的基础,对确定人才培养模式,体现人才培养质量起到至关重要的作用。同时授课也是向学生传授知识、培养学生能力、提高学生素质的主要途径,是提高教育质量的关键所在。加强课程建设,促进教学内容和课程体系的改革,对提高学校的办学水平具有重要意义。

参考文献:

[1]束峰,邱文教,孙锦涛.通信原理课程教学改革[J].电气电子教学学报,2006,(28):23-25.

[2]樊昌信.通信原理[M]第6版.北京:国防工业出版社,2007.

[3]邢超,韩琳.通信原理课程教学改革的探讨[J].科技创新导报,2008,(28):133.

[4]张士兵,章国安.“通信原理”课程教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2006,(4).

[5]梁晓炜等.通信原理教学方法研究[J].科技信息,2009,(16):52.

[6]赵韩强等.创新型人才培养体系的探索与实践[J].理工高教研究,2008,(2):95-97.

[7]沈莉芳.通信原理实验教学改革的探索[J].中国教育,2009,(4).