《復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真（Matlab）》教學(xué)大綱

《復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真（Matlab）》教學(xué)大綱課程編號(hào)：13230434英文名稱：ModelingandSimulationofComplexSystems(Matlab)學(xué)分：2.0學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，其中理論24學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)先修課程：電路原理、復(fù)變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)（理工）課程類別：專業(yè)拓展課程授課對(duì)象：機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)本課程是機(jī)器人工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課和工具性課程。課程面向智能儀器儀表信號(hào)處理、多軸機(jī)器人控制系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)建模與仿真相關(guān)專業(yè)知識(shí)，具備復(fù)雜系統(tǒng)建模、性能分析、控制器設(shè)計(jì)、信號(hào)提取等方面的仿真和優(yōu)化能力。本課程擬達(dá)到的課程目標(biāo):課程目標(biāo)1：系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)建模與仿真相關(guān)專業(yè)知識(shí)，了解Matlab建模與仿真原理及應(yīng)用，理解其在系統(tǒng)建模與仿真的適用范圍，并能完成相關(guān)單元模塊的仿真設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)2：能夠根據(jù)復(fù)雜工程建模、分析和仿真的具體要求，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，選擇合適的工具箱和優(yōu)化算法，進(jìn)行性能分析、參數(shù)計(jì)算和系統(tǒng)設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)3：能夠辯證吸收?qǐng)F(tuán)隊(duì)其他隊(duì)成員的意見(jiàn)和建議，能夠根據(jù)智能儀器儀表信號(hào)處理、多軸機(jī)器人控制系統(tǒng)等工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的仿真平臺(tái)，進(jìn)行性能分析、參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，明確仿真系統(tǒng)的適用范圍和局限性。二、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重3.2能夠針對(duì)特定需求，完成感知、控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行等單元模塊的設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)1H9.1理解多學(xué)科背景下團(tuán)隊(duì)合作的重要性，能夠與其他成員有效溝通，合作共事；課程目標(biāo)2M9.3能夠辯證吸收?qǐng)F(tuán)隊(duì)其他隊(duì)成員的意見(jiàn)和建議，組織、協(xié)調(diào)和指揮團(tuán)隊(duì)開(kāi)展工作。課程目標(biāo)3H三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配（一）理論教學(xué)序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點(diǎn)（含德育要求）學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1緒論：結(jié)合案例和仿真演示等形式，介紹系統(tǒng)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，討論課程的學(xué)習(xí)方法、教學(xué)計(jì)劃和考核要求基本要求：掌握系統(tǒng)建模與仿真的基本概念及其應(yīng)用，了解常用的仿真建模軟件重點(diǎn)難點(diǎn)：Matlab編程語(yǔ)言靈活應(yīng)用德育要求：合作共贏2集中講授、文獻(xiàn)閱讀課程目標(biāo)12Matlab程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：講解和實(shí)踐Matlab環(huán)境下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矩陣運(yùn)算、多項(xiàng)式計(jì)算、函數(shù)調(diào)用與編寫等基本要求：了解MATLAB語(yǔ)言的基本使用環(huán)境及MATLAB語(yǔ)言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，掌握矩陣、多項(xiàng)式的運(yùn)算及MATLAB函數(shù)編寫與技巧。重點(diǎn)難點(diǎn)：函數(shù)調(diào)用德育要求：職業(yè)規(guī)范4集中講授、課后作業(yè)課程目標(biāo)13MATLAB/Simulink基礎(chǔ)：Simulink的工作環(huán)境和建模方法基本要求：熟悉Simulink的工作環(huán)境，熟練掌握MATLAB編程和Simulink建模仿真的基本方法，了解Simulink建模仿真的基本過(guò)程重點(diǎn)難點(diǎn)：復(fù)雜系統(tǒng)的Simulink模型搭建德育要求：實(shí)事求是2集中講授課程目標(biāo)14動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真建模與分析設(shè)計(jì)：靜態(tài)系統(tǒng)MATLAB編程仿真、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其求解、動(dòng)態(tài)性能分析基本要求：掌握靜態(tài)系統(tǒng)MATLAB編程仿真的基本方法，了解動(dòng)態(tài)系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型，了解動(dòng)態(tài)方程求解的基本原理和方法，熟練掌握動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模及性能分析的基本方法，了解模型對(duì)象的概念及其應(yīng)用重點(diǎn)難點(diǎn)：動(dòng)態(tài)方程的求解與性能分析德育要求：實(shí)事求是4集中講授課程目標(biāo)1課程目標(biāo)25Simulink控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)：線性系統(tǒng)模型構(gòu)建、性能分析及PID控制器設(shè)計(jì)基本要求：了解控制系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型及其建模仿真方法，掌握Simulink控制工具箱中的常用模塊及其在控制系統(tǒng)建模與仿真中的基本使用方法，了解MATLAB控制器設(shè)計(jì)工具的基本使用方法重點(diǎn)難點(diǎn)：PID設(shè)計(jì)與參數(shù)整定德育要求：實(shí)踐出真知4集中講授、團(tuán)隊(duì)討論課程目標(biāo)2課程目標(biāo)36數(shù)字濾波器的輔助分析與設(shè)計(jì)：數(shù)字濾波器的基本概念、數(shù)學(xué)模型及常用的設(shè)計(jì)指標(biāo)及其設(shè)計(jì)方法基本要求：利用MATLAB提供的各種濾波器輔助分析設(shè)計(jì)工具進(jìn)行數(shù)字和模擬濾波器設(shè)計(jì)的基本方法重點(diǎn)難點(diǎn)：數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)優(yōu)化德育要求：與時(shí)俱進(jìn)4集中講授+團(tuán)隊(duì)討論課程目標(biāo)2課程目標(biāo)37機(jī)器人系統(tǒng)建模與仿真：多軸機(jī)器人數(shù)學(xué)模型、性能分析與控制器設(shè)計(jì)基本要求：能根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)多軸機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析和控制重點(diǎn)難點(diǎn)：模型構(gòu)建、控制器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化德育要求：與時(shí)俱進(jìn)4集中講授+團(tuán)隊(duì)討論課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3合計(jì)24（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求學(xué)時(shí)類型對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1Matlab語(yǔ)言基礎(chǔ)熟悉Matlab操作環(huán)境、常用函數(shù)，建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。2驗(yàn)證課程目標(biāo)12Matlab仿真基礎(chǔ)熟悉Simulink環(huán)形，建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，在不同解法器、參數(shù)條件下進(jìn)行仿真運(yùn)算，并進(jìn)行結(jié)果比較2驗(yàn)證課程目標(biāo)13S-function開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)利用M文件編程S-function，掌握S-function編程方法2驗(yàn)證課程目標(biāo)14自動(dòng)控制系統(tǒng)建模與仿真了解自動(dòng)控制系統(tǒng)建模與仿真的基本方法，了解matlab提供的控制系統(tǒng)輔助分析設(shè)計(jì)工具4綜合課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)35濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)了解數(shù)字IIR、FIR濾波器設(shè)計(jì)工具和方法2驗(yàn)證課程目標(biāo)1課程目標(biāo)26多軸系統(tǒng)建模與分析掌握系統(tǒng)模型構(gòu)建方法，能夠利用系統(tǒng)工具實(shí)現(xiàn)多軸系統(tǒng)的性能分析和控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)4設(shè)計(jì)課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3合計(jì)16四、課程教學(xué)方法采用課堂講授與課外自學(xué)、實(shí)踐討論相結(jié)合的方式，系統(tǒng)介紹Matlab的基本語(yǔ)法和基本功能、系統(tǒng)仿真及其在自動(dòng)化領(lǐng)域的典型應(yīng)用，掌握基本的系統(tǒng)仿真方法，具備系統(tǒng)仿真能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定必要的數(shù)學(xué)和軟件基礎(chǔ)五、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績(jī)構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，考核內(nèi)容由平時(shí)作業(yè)、課程實(shí)驗(yàn)、上機(jī)測(cè)試和項(xiàng)目大作業(yè)組成，均按百分制計(jì)分，其中平時(shí)作業(yè)占15%，課程實(shí)驗(yàn)占20%，上機(jī)測(cè)試占10%，項(xiàng)目大作業(yè)占55%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評(píng)價(jià)序號(hào)教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計(jì)1平時(shí)作業(yè)1050152課程實(shí)驗(yàn)1055203上機(jī)測(cè)試550104綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目20152055課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)分值453025100（二）考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.平時(shí)成績(jī)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分平時(shí)作業(yè)系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)建模與仿真相關(guān)專業(yè)知識(shí)，能根據(jù)具體的任務(wù)要求選用合適的工具箱來(lái)完成任務(wù)要求基本具備系統(tǒng)建模與仿真相關(guān)專業(yè)知識(shí)，能使用工具箱來(lái)解決具體任務(wù)要求具備系統(tǒng)建模與仿真知識(shí)，但未靈活掌握，無(wú)法有效解決具體任務(wù)要求（50-70%）系統(tǒng)建模與仿真相關(guān)專業(yè)知識(shí)掌握交叉，不具備使用合適的共具箱來(lái)解決具體任務(wù)的能力2.課程實(shí)驗(yàn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分課程實(shí)驗(yàn)?zāi)芨鶕?jù)要求，選擇或開(kāi)發(fā)合適的工具箱或仿真平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，理解工具箱適用范圍和局限性。能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇工具箱或搭建仿真平臺(tái)，完成大部分實(shí)驗(yàn)任務(wù)（>70%），理解工具箱適用范圍和局限性。能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇工具箱或搭建仿真平臺(tái)，完成部分實(shí)驗(yàn)任務(wù)（50-70%），理解工具箱適用范圍和局限性。無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)（<50%），對(duì)建模仿真工具箱使用方法和適用范圍不了解或不掌握3.上機(jī)測(cè)試根據(jù)測(cè)試題目及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分（百分制）。4.綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分項(xiàng)目大作業(yè)系統(tǒng)性能：能根據(jù)具體任務(wù)要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設(shè)計(jì)，性能指標(biāo)符合任務(wù)要求。答辯成績(jī)：能從系統(tǒng)特性和任務(wù)要求出發(fā)，對(duì)工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析和闡述，準(zhǔn)確回答提問(wèn)。項(xiàng)目報(bào)告：能利用系統(tǒng)建模和仿真相關(guān)知識(shí)，從項(xiàng)目任務(wù)和系統(tǒng)特性出發(fā)，闡述設(shè)計(jì)思路、仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與性能，討論系統(tǒng)的適用范圍和局限性。系統(tǒng)性能：能根據(jù)具體任務(wù)要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設(shè)計(jì)，性能指標(biāo)大部分符合任務(wù)要求。（>70%）答辯成績(jī)：能從系統(tǒng)特性和任務(wù)要求出發(fā)，對(duì)工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析和闡述。項(xiàng)目報(bào)告：能利用系統(tǒng)建模和仿真相關(guān)知識(shí)，從項(xiàng)目任務(wù)和系統(tǒng)特性出發(fā)，較為清楚的闡述設(shè)計(jì)思路、仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與性能，討論系統(tǒng)的適用范圍和局限性。系統(tǒng)性能：能根據(jù)具體任務(wù)要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設(shè)計(jì)，性能指標(biāo)符合任務(wù)要求（>50%）。答辯成績(jī)：能從系統(tǒng)特性和任務(wù)要求出發(fā)，對(duì)工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等有分析和闡述。項(xiàng)目報(bào)告：能利用系統(tǒng)建模和仿真相關(guān)知識(shí)，從項(xiàng)目任務(wù)和系統(tǒng)特性出發(fā)，描述設(shè)計(jì)思路、仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與性能。系統(tǒng)性能：未根據(jù)具體任務(wù)要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設(shè)計(jì)，性能大部分不符合任務(wù)要求（<50%）。答辯成績(jī)：無(wú)法能從系統(tǒng)特性和任務(wù)要求出發(fā)，對(duì)工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析和闡述，準(zhǔn)確回答提問(wèn)。項(xiàng)目報(bào)告：未從項(xiàng)目任務(wù)和系統(tǒng)特性出發(fā)，闡述設(shè)計(jì)思路、仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與性能，討論系統(tǒng)的適用范圍和局限性。六、教材與參考書（一）推薦教材1．《Matlab/Simulink系統(tǒng)建模與仿真》,向軍編著,清華大學(xué)出版社，2021年4月版。2.《Matlab實(shí)用教