《控制系統(tǒng)仿真技術(shù)》課程教學(xué)大綱

《控制系統(tǒng)仿真技術(shù)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱控制系統(tǒng)仿真技術(shù)TechnologyofComputerSimulationforControlSystem課程編碼CTL110821020開課院部控制科學(xué)與工程學(xué)院課程團(tuán)隊(duì)控制系統(tǒng)仿真技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時(shí)34講授28實(shí)驗(yàn)6上機(jī)0實(shí)踐0課外學(xué)時(shí)32適用專業(yè)自動(dòng)化授課語言中文先修課程高等數(shù)學(xué)（2-1）、高等數(shù)學(xué)（2-2）、電路分析、模擬電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論課程簡(jiǎn)介（限選）控制系統(tǒng)仿真技術(shù)是以多學(xué)科理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件為工具，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方法來分析和解決問題的一門綜合性課程，主要向?qū)W生介紹有關(guān)控制系統(tǒng)仿真的基本概念和原理，控制系統(tǒng)典型仿真程序和常用的仿真軟件。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本概念和方法，針對(duì)實(shí)際問題能正確地選擇仿真方法、建立仿真模型、編制仿真程序，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究；初步具有控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，掌握MATLAB語言的基本使用方法及在控制系統(tǒng)仿真上的應(yīng)用。（對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求：1.3,2.3,4.3,5.4）Technologyofcomputersimulationforcontrolsystemisacomprehensivecoursebasedonmulti-disciplinarytheory,whichanalyzesandsolvesproblemsbymeansofvirtualexperimentandcomputeranditscorrespondingsoftware.Thiscoursemainlyintroducesthebasicconceptsandprinciplesofcontrolsystemsimulation,typicalsimulationprogramsandcommonlyusedsimulationsoftware.Throughthestudyofthiscourse,studentsshouldmasterthebasicconceptsandmethodsofdigitalsimulationofcontrolsystem,correctlyselectsimulationmethods,establishsimulationmodels,preparesimulationprograms,andconductsimulationresearchoncontrolsystemmodelsinviewofpracticalproblems.Thestudentsshouldpreliminarilyhavetheabilityofcontrolsystemdesign,masterthebasicoperationsofMATLABandapplicationsinsimulationofcontrolsystems.(Correspondingtograduationrequirements:1.3,2.3,4.3,5.4)負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號(hào)代號(hào)課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：掌握仿真的基本原理和作用，掌握控制系統(tǒng)各種數(shù)學(xué)模型的表示和轉(zhuǎn)換方法，掌握各種數(shù)學(xué)模型適用的仿真方法，掌握各種仿真方法的特點(diǎn)，掌握仿真技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)。是2.32M2目標(biāo)2：掌握微分方程數(shù)值積分仿真方法，掌握線性狀態(tài)空間模型數(shù)值離散化仿真方法，掌握傳遞函數(shù)模型頻域離散化方法，掌握采樣控制系統(tǒng)仿真方法。是1.33M3目標(biāo)3：學(xué)習(xí)掌握MATLAB語言，掌握各種典型數(shù)學(xué)模型的仿真算法程序原理；掌握Simulink建模仿真方法，能使用Simulink工具建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。是5.44M4目標(biāo)4：掌握處理數(shù)據(jù)的方法，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)能夠分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，獲得有效結(jié)論。是4.3三、課程內(nèi)容序號(hào)章節(jié)號(hào)標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點(diǎn)支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時(shí)教學(xué)方式課外學(xué)時(shí)課外環(huán)節(jié)1第1章概述本章重點(diǎn)：控制系統(tǒng)仿真的分類、數(shù)字仿真的基本概念本章難點(diǎn)：控制系統(tǒng)仿真示M1////21.1控制系統(tǒng)仿真中的基本概念控制系統(tǒng)的仿真方法及仿真實(shí)驗(yàn)的分類；系統(tǒng)仿真中的基本概念；系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真的關(guān)系。M12講授2閱讀31.2仿真的流程與應(yīng)用仿真的流程與步驟；介紹數(shù)字仿真軟件與仿真技術(shù)的最新進(jìn)展與在工程中的應(yīng)用，開拓學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。M11講授1閱讀4第2章MATLAB與Simulink基礎(chǔ)本章重點(diǎn)：MATLAB的主要組成、重要部件及MATLAB集成環(huán)境；控制工具箱本章難點(diǎn)：MATLAB編程語言的掌M3////52.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB主要組成、重要部件及MATLAB集成環(huán)境；MATLAB的通用命令；MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)、基本操作；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；矩陣基礎(chǔ)、矩陣操作和基本矩陣；繪圖；數(shù)據(jù)處理（線性代數(shù)的求解、常微分方程數(shù)值解）；流程控制結(jié)構(gòu)；MATLAB程序編寫與調(diào)試。M32講授2編程62.2Simulink簡(jiǎn)介Simulink建?；A(chǔ)知識(shí)；Simulink仿真方法；非線性系統(tǒng)分析與仿真。M31講授/討論1編程7第3章控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換本章重點(diǎn)：系統(tǒng)內(nèi)部模型和外部模型之間的轉(zhuǎn)換本章難點(diǎn)：初值不為零的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)M1,M3,M4////83.1線性連續(xù)系統(tǒng)常用數(shù)學(xué)模型模型轉(zhuǎn)化－實(shí)現(xiàn)問題；線性連續(xù)系統(tǒng)模型、線性離散時(shí)間系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；初始狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。幫助學(xué)生深刻理解數(shù)學(xué)模型的重要性，引導(dǎo)學(xué)生探索問題的本質(zhì)。M12講授1作業(yè)93.2MATLAB轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型方框圖描述系統(tǒng)的化簡(jiǎn)、系統(tǒng)模型的相互轉(zhuǎn)換；采用MATLAB轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型。M32講授/討論2作業(yè)/編程103.3面向結(jié)構(gòu)圖的模型變換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（串、并、反饋）及其拓?fù)涿枋觯ǖ湫铜h(huán)節(jié)、連接矩陣）；面向結(jié)構(gòu)圖的模型變換。M12講授1作業(yè)11實(shí)驗(yàn)1面向狀態(tài)方程的仿真編制四階龍格-庫塔數(shù)值積分法仿真程序，掌握仿真程序結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和使用方法，掌握MATLAB編程方法。M42實(shí)驗(yàn)2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告12第4章控制系統(tǒng)數(shù)字仿真本章重點(diǎn)：數(shù)值積分法、時(shí)域離散相似法、頻域離散相似法本章難點(diǎn)：龍格-庫塔M2,M4////134.1數(shù)值積分法歐拉法、二階龍格-庫塔法和四階龍格-庫塔法；高階微分方程的數(shù)字仿真。M24講授/討論4作業(yè)/自學(xué)144.2時(shí)域離散數(shù)字仿真時(shí)域離散相似法基本原理、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算、增廣矩陣法；面向結(jié)構(gòu)圖的離散相似法仿真；非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真。M24講授/討論4作業(yè)154.3頻域離散相似法替換法、根匹配法、可調(diào)整積分法。M24講授/討論/翻轉(zhuǎn)課堂4作業(yè)/自學(xué)16實(shí)驗(yàn)2時(shí)域離散相似法仿真掌握時(shí)域離散相似法原理，針對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖編寫離散相似法仿真程序，掌握含非線性環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的仿真方法，掌握SIMULINK建立控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法。M42實(shí)驗(yàn)2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告17第5章采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真本章重點(diǎn)：采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、數(shù)字化PID控制算法本章難點(diǎn)：純延遲環(huán)節(jié)的仿真模M2,M4////185.1采樣控制系統(tǒng)采樣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；連續(xù)系統(tǒng)離散相似法與采樣控制系統(tǒng)之間的區(qū)別；采樣周期與仿真步長(zhǎng)。M21講授/討論1作業(yè)195.2采樣控制系統(tǒng)數(shù)字控制器不同采樣周期下控制器差分模型轉(zhuǎn)換；數(shù)字化PID控制算法。M22講授2作業(yè)/自學(xué)205.3純延遲環(huán)節(jié)的仿真模型純延遲環(huán)節(jié)的仿真方法M21講授1作業(yè)21實(shí)驗(yàn)3采樣控制系統(tǒng)的仿真編制PID控制程序，進(jìn)行采樣系統(tǒng)的仿真。掌握采樣系統(tǒng)的仿真方法。M42實(shí)驗(yàn)2撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告四、考核方式序號(hào)考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評(píng)占比1平時(shí)表現(xiàn)1.完成每章布置的作業(yè)。2.參加課堂活動(dòng)，隨堂提問、隨堂測(cè)試、課堂討論等。15%2實(shí)驗(yàn)1.本課程6個(gè)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，共三次實(shí)驗(yàn)。2.成績(jī)采用百分制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成情況評(píng)分。3.考核學(xué)生利用Matlab仿真軟件實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真編程，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。15%3大作業(yè)1.針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的實(shí)際系統(tǒng)，利用控制系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行建模與仿真，給出建模方案與詳細(xì)程序。2.根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，撰寫報(bào)告。20%4期末考試1.閉卷考試，成績(jī)采用百分制，卷面成績(jī)總分100分。2.主要考核學(xué)生對(duì)系統(tǒng)仿真基本知識(shí)的掌握能力，學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力。3.題型主要有簡(jiǎn)答題、分析題、計(jì)算題等。50%五、評(píng)分細(xì)則序號(hào)課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評(píng)分等級(jí)1M1期末考試60%依據(jù)試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。2M1平時(shí)表現(xiàn)20%A-準(zhǔn)確掌握仿真的基本原理和各種仿真方法的特點(diǎn)，掌握仿真的各種數(shù)學(xué)模型，并且可以熟練的進(jìn)行不同數(shù)學(xué)模型之間的相互轉(zhuǎn)換。B-了解仿真的基本原理，較好的掌握仿真的各種數(shù)學(xué)模型，并且可以較為準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)換。C-大致了解仿真的基本原理，系統(tǒng)的各種數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換步驟基本正確。D-不能掌握仿真的基本原理，不能完成仿真模型的相互轉(zhuǎn)換。3M1大作業(yè)20%A-控制系統(tǒng)模型建立準(zhǔn)確，能夠反映系統(tǒng)的主要特征。B-控制系統(tǒng)模型建立較為準(zhǔn)確，能夠較為準(zhǔn)確的反映系統(tǒng)的主要特征。C-控制系統(tǒng)模型建立基本準(zhǔn)確，能夠基本反映系統(tǒng)的主要特征。D-控制系統(tǒng)模型建立不準(zhǔn)確，不能反映系統(tǒng)的主要特征。4M2期末考試50%依據(jù)試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。5M2平時(shí)表現(xiàn)20%A-掌握常用數(shù)值積分法，準(zhǔn)確利用數(shù)值積分法求解微分方程；掌握時(shí)域和頻率離散相似法，能夠熟練的利用時(shí)域離散相似法將微分方程轉(zhuǎn)換為差分方程，熟練運(yùn)用頻率離散相似法將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖傳遞函數(shù)；熟練掌握采樣控制系統(tǒng)在不同采樣周期下的模型轉(zhuǎn)換。B-數(shù)值積分法求解微分方程步驟規(guī)范、結(jié)果較為準(zhǔn)確，離散相似法求差分方程過程較為規(guī)范、結(jié)果較為準(zhǔn)確。C-數(shù)值積分法求解微分方程步驟基本合理，懂得離散相似法的原理，步驟基本規(guī)范。D-不能采用數(shù)值積分法實(shí)現(xiàn)微分方程求解，不能正確運(yùn)用離散相似法。6M2大作業(yè)30%A-熟練掌握控制系統(tǒng)仿真法，能夠運(yùn)用合適的算法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。B-較為熟練掌握控制系統(tǒng)仿真方法，能夠運(yùn)用合適的算法較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。C-基本掌握控制系統(tǒng)仿真方法，能夠運(yùn)用算法基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。D-未掌握控制系統(tǒng)仿真方法，不能運(yùn)用算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。7M3期末考試50%依據(jù)試卷評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。8M3平時(shí)表現(xiàn)20%A-能夠熟練的運(yùn)用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)仿真算法；能夠熟練運(yùn)用Simulink仿真軟件來進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。B-掌握運(yùn)用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)仿真的主要算法；掌握Simulink仿真軟件的主要模塊。C-了解MATLAB/Simulink仿真軟件的基本使用方法和基本算法。D-不能運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真。9M3大作業(yè)30%A-熟練掌握Matlab編程語言，編程思路清晰，程序運(yùn)行正確。B-較為熟練掌握Matlab編程語言，編程思路較為清晰，程序較為正確。C-基本掌握Matlab編程語言，編程思路基本清晰，程序基本正確。D-未掌握Matlab編程語言，編程思路沒有條理，程序運(yùn)行不正確。10M4實(shí)驗(yàn)100%A-能夠建立實(shí)際系統(tǒng)的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，編寫正確的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)模型的仿真，并對(duì)仿真模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥-能夠建立實(shí)際系統(tǒng)較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，編寫較正確的程序?qū)崿F(xiàn)仿真，并對(duì)仿真模型進(jìn)行分析。C-建立實(shí)際系統(tǒng)基本正確的數(shù)學(xué)模型并編程實(shí)現(xiàn)仿真的主要步驟。D-不能建立實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的仿真。評(píng)分等級(jí)說明：[A,B,C,D,E]=[90-100,80-89,70-79,60-69,0-59];[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59];[A,B,C]=[90-100,75-89,60-74,0-59];[M,N]=[80-100,0-79]六、教材與參考資料序號(hào)教學(xué)參考資料明細(xì)1圖書|系統(tǒng)仿真導(dǎo)論,肖田元,系統(tǒng)仿真導(dǎo)論,2010.（*主教材）2圖書|控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD,張曉華,機(jī)械工業(yè)出版社,2010.3圖書|控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—MATLAB語言與應(yīng)用,薛定宇,清華大學(xué)出版社,2012.4圖