信號與控制綜合實驗教程

前言

大學中的課程遞進關系有一個特點：逐漸將孤立的、單一的知識點融合成為具有綜合知識體系、多學科應用方向的新知識點，這些逐漸延伸到學生畢業(yè)的新知識點，目標是要引導大學生去學會應用、學會思考、學會學習、學會創(chuàng)造。20世紀以來，學科在分工越來越細、研究越來越專業(yè)化的同時，交叉滲透和綜合化趨勢也日益明顯。高等教育要實現(xiàn)培養(yǎng)人才與社會所需人才標準的統(tǒng)一，才能適應社會發(fā)展需求。經(jīng)過多次教學改革形成的課程體系，有了更多的彼此之間的聯(lián)系和應用，以及更多面向學科前沿研究和技術的延伸介紹，學生的視野被大大擴展。但相關實驗內容如果仍隸屬于原課程，則始終受到該課程單元知識的限制，難以實現(xiàn)綜合設計及應用、創(chuàng)新等目標。“信號與控制綜合實驗”正是基于這樣的理念進行改革的綜合實驗。它依據(jù)電氣學科課程中學科理論體系的遞進關系，由四門學科基礎課程——信號與系統(tǒng)、自動控制理論、檢測技術和電力電子學的基本實驗和彼此間的綜合應用實驗構成，并通過引導性內容將學生引向自行命題的設計、應用、創(chuàng)新實驗。視應用的不同，這些實驗又可延伸到其他的專業(yè)課程，如DSP原理及應用、計算機控制、電磁兼容原理及應用、電機拖動及控制，等等。本書力圖體現(xiàn)電氣工程學科基礎實驗內容的一種合理結構：以信號傳輸和分析為線索、以自動控制理論為理論體系、以傳感器為檢測元件或裝置、以電力電子電路或電機為對象形成自動控制系統(tǒng)。本書以“原理+任務+引導”的形式，按照學生對科學的自然認知進程，由淺入深地設置了52個實驗，全書內容包括引導和實驗共三個層次：“緒論”以實驗指南的方式介紹實驗意義、實驗選擇、實驗方法、實驗報告（預習和總結）、團隊合作等；“基礎實驗篇”為四個部分，分述四門課程的基礎實驗內容和要求，引導學生在實驗前、實驗中和實驗后不斷思考和設計，獲得自主學習、合作交流、認識并解決問題、分析總結等能力；“綜合實驗和設計篇”，分述這四門課程之間按照內在邏輯聯(lián)系進行的綜合和設計性實驗內容，引導學生學會設計和研究、實現(xiàn)的方琺。“信號與控制綜合實驗”超越了各課程之間的界限，使得學生的實驗活動可以不受課程體系和實驗室約束，便于學生實現(xiàn)綜合設計及應用、創(chuàng)新等目標。本書在原理描述基礎上，給出粗線條的任務，方案和步驟由學生自行擬定，可不受實驗裝置約束。它對實驗者預習方面要求比較高（至少要熟習掌握實驗原理、選擇好實驗，并擬定好實驗方案后才能搭建實驗電路）。

內容概要

本書以“原理+任務+引導”的形式，介紹了電氣工程學科技術基礎課程的綜合實驗的基本理論、實驗設計和實驗方法，以及精選的52個由淺入深的實驗內容，作為有關實驗課程及綜合應用的教學指導。    全書內容包括三大部分：“緒論”以實驗指南的形式，進行實驗的意義、自主實驗中實驗的選擇、實驗的方法(規(guī)范)、如何寫實驗報告、自我評價以及團隊合作等引導；“基礎實驗篇”分述信號與系統(tǒng)、自動控制理論、檢測技術和電力電子學等四門課程的基礎實驗內容和要求；“綜合實驗和設計篇”為該四門課程之間按照內在邏輯聯(lián)系進行的綜合性實驗內容，針對給定課題，引導學生學會設計和研究的方法，根據(jù)實驗條件去實現(xiàn)設計。每部分后附有學生日志，引導學生記錄思考的問題和解決方案，養(yǎng)成自主學習、主動實踐和求索的習慣。    本書可作為電氣工程及相關學科的本科生實驗教材，以及相關課程設計的教材，也可作為相關專業(yè)研究生的實驗教材。

書籍目錄

緒論　1實驗的意義　2如何選擇實驗內容　3如何開始一個設計性實驗　4如何做研究　5如何寫實驗設計方案和預習報告　6如何寫實驗報告　7關于團隊合作第一篇基本實驗　第一部分　信號與系統(tǒng)基本實驗    實驗一常用信號的觀察    實驗二零輸入響應、零狀態(tài)響應及完全響應    實驗三非正弦周期信號的分解與合成    實驗四信號的無失真?zhèn)鬏?   實驗五無源濾波器與有源濾波器    實驗六LPF、HPF、BPF、BEF間的變換    實驗七信號的采樣與恢復    實驗八調制與解調    實驗九信號的產(chǎn)生、采集、處理、變換和基于Matlab的分析(測量與計算機分析實驗)　第二部分  自動控制理論基本實驗    實驗十  控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)中典型環(huán)節(jié)的模擬    實驗十一二階系統(tǒng)的模擬與動態(tài)性能研究    實驗十二二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能研究    實驗十三三階系統(tǒng)的模擬與研究    實驗十四線性控制系統(tǒng)的設計與校正    實驗十五系統(tǒng)能控性與能觀測性分析    實驗十六控制系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制器設計    實驗十七基于內模原理的狀態(tài)反饋控制(提高性內容)    實驗十八狀態(tài)觀測器及其應用　第三部分　檢測技術基本實驗    實驗十九  霍爾式傳感器的直流激勵特性　……第二篇　綜合實驗附錄參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：學生們可以選擇一個大的實驗項目（需要花很長的實驗和設計時間），也可以選擇數(shù)個小實驗項目（每個實驗所花的時間不多），來選滿規(guī)定的學分。選擇時要充分了解自己的特點和特長，充分了解這些實驗內容，而不是到了實驗室再翻開書本去了解。根據(jù)實驗層次進行選擇，應考慮以下幾個方面。首先，應選擇個人感興趣、擅長或是可以發(fā)揮自身潛能的實驗。例如，采用計算機實現(xiàn)控制的一類實驗，適合編程高手和數(shù)字電路分析設計熟練者；控制性能研究一類實驗，則適合比較熟練掌握自動控制理論的學生。其次，為了弄清理論課程的內容，必須選擇相應的設計實驗。例如，選擇“線性控制系統(tǒng)的設計與校正”實驗，可以在設計中加深對自動控制理論的認知。這相當于更深入的考前復習，對考試也是有好處的。最后，鑒于很多實驗內容彼此都是有聯(lián)系的，應選擇多個基礎性實驗內容，逐步積累知識，以便最終能完成一個較大的綜合設計類實驗。例如，“控制系統(tǒng)閉環(huán)特性分析”實驗，先要用到開環(huán)的實驗分析找到問題，然后要用到傳感器知識才能實施閉環(huán)。如果對象是電力電子電路，還有頻譜分析、功率因數(shù)分析和濾波的問題，可以選擇這樣的一系列基礎實驗：開環(huán)控制實驗、傳感器實驗、諧波和功率因數(shù)分析實驗、濾波器設計實驗等。這些逐步加深每一個知識點的基礎實驗，能使選擇的實驗內容具有體系性，基本的知識點都能熟練掌握，對將來做研發(fā)工作比較有幫助。無論選擇哪些實驗內容，選擇時請首先對自己提出三類問題。（1）這個實驗是做什么的？做這個實驗有什么意義？它是想說明一個什么問題？解決什么問題？這類問題的回答，必須基于對實驗內容的充分了解。（2）這個實驗利用了哪些原理？它大概要用到哪些公式和實驗儀器？我自己了解嗎？不了解怎么辦？這類問題的回答，必須基于對理論、實驗儀器和測量原理的了解。（3）還有沒有其他的方法？這類問題可促使自己尋找更簡單、更方便、更精確的實驗方法。

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