“建模仿真与相似原理” CDIO实验教学大纲
英文名称：Modeling, simulation and similarity principle
课程编号：MACH3452
学时：48 （理论学时：24 ；实验学时：24 ；课外学时：12）
学分：2
适用对象：机械类大三、大四年级本科生
先修课程：高等数学、机械控制工程、计算机程序设计、电工电子技术、理论力学
使用教材及参考书：
[1] 自编讲义. 相似性原理与机电系统建模仿真.（待编）.
[2] 张晓华.系统建模与仿真. 北京：清华大学出版社，2006-12. ISBN：9787302129592.
[3] 张立勋.机电系统建模与仿真. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010-2. ISBN: 9787560329291.
[5] 刘白雁. 机电系统动态仿真——基于Matlab/Simulink. 北京：机械工业出版社，2005-7. ISBN: 9787111167754
一、实验课程简介
本课程为机械工程专业本科生专业课《建模仿真与相似原理》的CDIO课程实验部分。通过对本课程的学习，使学生了解具有相同或相似的数学模型的不同机电系统之间的相似性，初步掌握典型机电系统的数学建模的基本理论和方法，能够熟练利用计算机和半实物仿真技术对机电系统进行性能分析和控制系统设计，培养学生的系统分析和类比的能力，为今后应用建模和仿真工具进行机电系统研究和工程设计工作打下良好的基础。
二、实验课性质、目的和任务
实验课性质：机械工程专业本科生专业课《建模仿真与相似原理》的CDIO课程实验部分
实验课程目的：深化学生《建模仿真与相似原理》的理论知识，并使其掌握对应的实际系统分析、建模和仿真技能。通过本实验课程学习，使学生能够熟练掌握常用机电系统计算机仿真软件工具使用和半实物仿真平台构建的技能，培养学生的系统分析和类比的能力，，提高其对机电系统控制方法和实现手段的认识水平。
实验课程任务：对典型机电系统进行数学建模，并对物理相似系统进行类比。对实验系统进行数值仿真和实物控制实验，搭建简单系统的半实物仿真平台。编写对应仿真分析和实际控制程序，进行实验结果分析、讨论以及撰写实验报告。
三、实验课教学基本要求
1.根据实验班级学生数量实验室安排，实验指导教师与学生提前协调好实验的时间和分组。
3.参加实验的同学在实验前要做好本次实验的预习并写出预习报告。
2.实验指导教师提前检查相关实验设备，保证可正常使用。
4.上实验课时，要提前十分钟进实验室，以便做好实验前的准备工作。
5.实验指导教师在实验课开始时讲解实验安排和具体要求，学生应独立且认真地完成各项实验任务。在实验过程中实验指导教师应注意实验安全并引导学生独立思考和自己动手解决问题。
6.试验结束后，学生应对实验结果进行分析、整理和计算，认真完成实验报告。
7.实验指导教师应总结实验过程和实验报告中集中出现的问题，并与学生共同改进和完善实验设备和教学方式。
四、实验教学的内容与要求
1. 基于Matlab/Simulink的机电系统模型建立及模型之间的转换（2学时）
实验目的：
1、了解基于Matlab/simulink的机电系统模型的基本建立过程、子系统分解的原则及子系统模型之间的连接方式。
2、掌握不同描述方式的模型之间的转换方法。
教学基本要求：
熟悉基于Matlab/simulink的机电系统建模和仿真工具平台，理解复杂机电系统子系统和模块分解的基本原则以及子系统模型之间的连接方式。掌握基于传递函数模型的系统时域和频域特性分析方法。通过实验，对传递函数模型、状态空间模型、零极点增益模型各自的特点以及彼此之间的转换方法进行分析。
实验内容提要：
1、 基于传递函数模型的典型机电系统模型时域和频域特性分析。
2、通过范例了解复杂系统的子系统分解和逐级性能分析。
3、典型机电系统的传递函数模型、状态空间模型、零极点增益模型之间的转换。
实验类型：基本理论验证
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机
2．基于的运算放大器模拟电路的一阶、二阶系统半实物仿真实验（2学时）
实验目的：
1、了解基于运算放大器的一阶、二阶半实物仿真平台构成所用的基本实验电路及特性测试方法。
2、分析一阶、二阶系统的阶跃响应和对应控制特点。
教学基本要求：
深入理解一、二阶系统的工作特性及控制系统设计要求。掌握运用运算放大器电路构成基本传递函数半实物仿真平台的方法。通过实验，对一阶、二阶电路输入输出特性及参数改变方法进行分析。掌握数据采集卡的基本应用。
实验内容提要：
1、应用运算放大器构成一阶、二阶电路系统，进行半实物仿真，对时域和频域特性进行分析。
2、测定一阶电路仿真系统的阶跃响应曲线。改变不同的时间常数，对比响应曲线。
3、测定二阶电路仿真系统的阶跃响应曲线。改变不同的固有频率和阻尼比，对比响应曲线。
实验类型：基本理论验证
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机（配有数据采集卡）、一/二阶实验电路板、示波器
3. 一阶和二阶系统的Matlab/Simulink时域和频域仿真实验（4学时）
实验目的：
1、了解计算机数据采集通道和Matlab/simulink的数值仿真以及与采集卡接口程序的设计流程。
2、分析一阶、二阶系统的阶跃响应和对应控制特点，掌握建模过程中模型简化的基本原则。
教学基本要求：
深入理解一、二阶系统的工作特性及控制系统设计要求及基本的时域和频域分析方法，学会分析连续系统与离散系统的差别。通过实验，学会运用Matlab/simulink进行单输入单输出系统的一阶、二阶特性数值仿真，掌握Matlab与数据采集卡的接口程序编写方法。
实验内容提要：
1、应用Matlab/simulink进行进行单输入单输出系统的一阶、二阶特性数值仿真，对时域和频域特性进行分析。
2、编写Matlab与数据采集卡的接口程序，实现通过Matlab/simulink对一、二阶电路和机械半实物仿真系统的简单控制。
实验类型：基本理论验证
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机（配有数据采集卡）、一/二阶实验电路板、一阶/二阶机械实验装置、示波器
4. PID控制半实物和数字仿真实验 （2学时）
实验目的：
1、掌握PID控制器的设计方法及参数调节策略，了解连续控制与离散时间控制的主要差异。
2、深入了解Simulink的参数辅助优化系统应用方法，分析数字模型分析与半实物仿真系统以及实物系统的差异。
教学基本要求：
深入理解PID控制中P、I、D参数的作用和物理含义，掌握PID参数调节的基本策略，学习使用Sinulink中提供的线性时不变系统分析工具，利用系统模型进行仿真PID参数优化，加深对建模必要性的理解。
实验内容提要：
1、编写PID控制程序，对一阶、二阶电路系统进行PID控制，手动调节PID参数。
2、建立被控系统模型，运用LTI参数辅助优化工具，优化PID参数，通过仿真和实际电路系统控制观察优化效果
实验类型：基本理论验证
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机（配有数据采集卡）、一/二阶实验电路板
5. 机械传动系统建模和数字仿真实验 （4学时）
实验目的：
1、掌握机械传动系统的运动学和动力学模型建立方法和过程，运用SimMechanic建立系统的仿真模型。
2、了解位置伺服系统的控制器设计方法。
教学基本要求：
强调机构运动学和动力学分析的重要性，使学生熟练掌握常用的运动学和动力学建模方法，学习使用SimMechanic建立系统的运动学仿真模型，能够设计简单的位置伺服控制器。
实验内容提要：
1、建立伺服电动机和伺服电动机驱动丝杠-螺母传动装置的数值仿真模型，分析其工作特性。
2、设计伺服电动机的PID转角控制和丝杠-螺母传动装置位置控制的PID控制器，进行仿真控制。
3、对实际直流伺服电动机和丝杠-螺母传动装置进行控制实验。
实验类型：基本理论验证
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机（配有数据采集卡）、一阶/二阶机械实验装置、X-Y工作台
6. 伺服驱动模糊控制仿真实验 （6学时）
实验目的：
1、掌握模糊控制器的基本设计和改进方法，了解隶属度函数选择的基本策略。
2、了解位置伺服系统模糊控制器的设计方法。
教学基本要求：
介绍模糊控制的基本原理及应用方法，强调时变参数系统采用智能控制的重要性。使学生掌握在位置控制系统中引入负载扰动前提下，提高控制器性能的模糊控制器改进手段。
实验内容提要：
1、建立直流伺服电机和伺服电机驱动电动缸的数值仿真模型，设计相应的模糊控制器，对控制效果进行仿真分析。
2、对实际直流伺服电机和丝杠-螺母传动装置进行控制实验，在变负载情况下测试控制器性能。
实验类型：基本理论验证
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机（配有数据采集卡）、X-Y工作台
7. 一阶倒立摆系统控制仿真实验 （2学时）
实验目的：
1、了解非稳态系统控制的基本工作原理，对比最优控制和模糊控制策略的区别。
2、掌握复杂系统的运动学和动力学建模及仿真分析方法。
教学基本要求：
建立一阶倒立摆系统的运动学和动力学模型，构造基本的最优控制器和模糊控制器，对照两者特性。
实验内容提要：
1、建立一阶倒立摆系统的运动学和动力学模型，运用数值仿真工具进行特性分析。
2、分别建立基本的最优控制器和模糊控制器，在施加位置扰动和质量参扰动的情况下分析两者控制效果差异。
实验类型：系统应用实验
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机
8. X-Y工作台系统控制实验 （2学时）
实验目的：
1、了解二维位置式控制系统的基本工作原理，熟悉插补进给的基本思想。
2、掌握平面运动的运动学和动力学分析和模型建立方法及多输入多输出控制器的设计手段。
教学基本要求：
介绍空间运动系统运动学和动力学模型的建立过程，明确将规划轨迹转换为插补进给运动的必要性。使学生实践了解多输入多输出系统控制器设计方法。
实验内容提要：
1、建立X-Y工作台的仿真模型，分别构造一维和二维的控制器，分析单输入单输出和多输入多输出系统的差异。
3、进行直线插补运算位置控制仿真。
2、对实际工作台进行控制，分析控制器的鲁棒性。
实验类型：系统应用实验
必做或选做：必做
使用的主要仪器：计算机（配有数据采集卡）、X-Y工作台
五、实验成绩的考核与评定办法
1、实验课的考核内容包括学生的实验预习、实验表现情况及实验报告结果，进行综合评定；
2、实验课考核成绩由实验预习成绩、实验纪律表现成绩及实验报告成绩组成。实验预习成绩主要通过预习报告和现场提问体现；实验表现成绩主要考核操作情况、原始数据记录及处理一般性问题的能力；实验报告成绩主要考核实验报告完整性、书写认真程度及数据处理准确程度。
实验成绩由下述三部分按比例评定。
实验预习成绩 占20% 实验表现成绩 占50%
实验报告成绩 占30%
实验课程成绩按40%比例计入该课程总成绩，对缺实验成绩者本课程不予通过。
大纲制定者：王孙安
大纲审定者： 王孙安
大纲审定者：段玉岗
大纲批准者：訾艳阳
