《控制系统数字仿真》课程教学大纲

《控制系统数字仿真》教学大纲课程名称：控制系统数字仿真（DigitalSimulationofControlSystem）课程编码：1502ZY199 课程类别：专业课程-选修学 分：2学分总学时：32学时，其中，理论学时：16学时；上机学时：16学时适用专业：自动化先修课程：高等数学、复变函数与积分变换、自动控制理论制定人：何美霞审核人：杨旭辉一、课程性质《控制系统数字仿真》是一门专业选修课，适用于自动化专业。该课程内容主要包括控制系统数字仿真的基本原理、Matlab仿真软件的使用方法及数字仿真技术在控制系统中的应用。通过本课程的学习，学生能够理解控制系统数字仿真的原理，掌握基本的数字仿真步骤和方法；具备用Matlab/Similink实现控制系统辅助分析与设计的能力，为今后从事科研工作和与自动化专业相关的工程技术工作打下基础，并保证学生完成专业的相应毕业要求。二、课程教学目标（一）育人目标以爱党、爱国、爱人民为主线，将育人要素渗透到控制系统数字仿真的课堂教学中。通过引入钱学森、张钟俊、关肇直等老一辈科学家的事迹，激发学生科技强国的使命感，引导学生如何正确做人和做事；注重在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力；师生频繁互动进行“三观”教育和学习方法指导，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。培养学生成为德才兼备、又红又专的全面发展型人才。（二）知识和能力目标掌握控制系统的组成、结构、建模方法，能够用Matlab软件编程，并在Simulink环境下搭建控制系统的模型（支撑毕业要求2.2）掌握控制系统的数学描述及计算机辅助分析方法，在Matlab环境下设计控制系统的控制器，对自动化领域的工程问题进行综合分析。（支撑毕业要求2.2）课程目标与毕业要求指标点对应关系课程目标毕业要求指标点课程目标1、22.2能运用自动化专业知识构建测控系统各环节的数学模型并对模型有效性进行检验。三、基本要求本课程详细介绍系统与数字仿真的概念，控制系统的组成、结构、建模方法，Matlab的编程技巧及Simulink仿真环境下控制系统的建模方法等。教学过程中注意与先修课程基础知识的联系，掌握高等数学、复变函数与积分变换、自动控制理论的基本知识，具有良好的知识储备。学生通过本课程的学习，应熟练掌握控制系统的组成、结构、建模方法；掌握Matlab的使用方法和编程技巧；掌握Simulink仿真环境下控制系统的建模方法；掌握控制系统的时域、频域、根轨迹分析方法；掌握Matlab环境下控制系统的超前─滞后校正器及PID控制器设计方法。通过课外的自主研习，学生分组进行本课程最新研究进展调研，培养学生的文献检索、语言表达陈述、沟通交流等能力。四、教学内容11通过讲述仿真技术的发展、应用及基于MATLAB的控制系统仿真方法，引导学生课堂授课，课12Matlab程序设计基础4Matlab语言时，引导学生学课堂授课，课3题，133Simulink的分析，引导学生运用好课堂授课，课3题，14控制系统的3课堂授课，课3题25控制系统的计算机辅助3课堂授课，课3题，26控制系统的经典设计方2课堂授课，课6题，2第1章绪论1、本课程的内容、性质和任务2、仿真的基本概念、方法及分类本章重点：了解系统与数字仿真的概念；掌握控制系统的组成、结构、建模方法。能力：能够将控制系统数字仿真的基本概念、方法及分类能应用于实际控制系统。第2章Matlab语言程序设计基础1、Matlab基础知识2、Matlab的一般编程技巧本章重点：掌握Matlab的使用方法和一般的编程技巧。能力：能够使用Matlab对控制系统的进行编程表达。第3章Simulink简介1、Simulink基础知识2、Simulink建模与仿真本章重点：掌握Simulink仿真环境下控制系统的建模方法。能力：能够使用Simulink对控制系统的进行图形化表达。第4章控制系统的数学描述1、控制系统的数学模型2、控制系统各种数学描述的Matlab表示本章重点：了解数学模型的表示形式及数学模型的转换；掌握控制系统各种数学描述的Matlab环境下编程。能力：能够灵活对控制系统的数学模型进行表达与转换。第5章控制系统的计算机辅助分析1、控制系统的时域分析2、控制系统的频域分析3、控制系统的根轨迹分析本章重点：掌握控制系统的时域、频域、根轨迹分析方法能力：根据要求，能够对控制系统进行时域、频域、根轨迹分析。第6章控制系统的经典设计方法1、超前─滞后校正器设计2、PID控制器设计3、基于状态空间模型的控制器设计本章重点：掌握Matlab环境下控制系统的超前─滞后校正器及PID控制器设计方法；了解Matlab环境下基于状态空间模型的控制器设计方法。能力：能够设计控制器对控制系统进行分析。五、实验内容与学时分配实验项目与类型序号实验项目学时实验性质支撑课程目标支撑毕业要求指标点演示验证综合设计1MATLAB程序设计基础2√12.22MATLAB基本编程方法2√12.23控制系统的Simulink仿真2√12.24控制系统的分析方法2√22.25控制系统的经典设计方法4√22.26控制系统数字仿真4√22.2实验一MATLAB程序设计基础1、目的要求掌握Matlab软件使用的基本方法熟悉Matlab的数据表示、基本运算方法熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制2、主要实验仪器与材料PC机1台MATLAB6.X环境3、掌握要点MATLAB的数值计算、数据分析和基本绘图方法4、实验内容使用help命令，查找sqrt（开方）函数的使用方法；矩阵运算；求多项式的值；基本绘图命令；图形绘制；利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。实验二MATLAB基本编程方法1、目的要求掌握Matlab软件使用的基本方法熟悉Matlab程序设计的基本方法2、主要实验仪器与材料PC机1台MATLAB6.X环境3、掌握要点按程序设计数学要求完成对象计算的MATLAB程序4、实验内容编写命令文件：计算1+2+…+n<2000时的最大n值；编写函数文件：分别用for和while循环结构编写程序，求2的0到15次幂的和；如果想对一个变量x自动赋值。当从键盘输入y或Y时（表示是），x自动赋为1；当从键盘输入n或N时（表示否），x自动赋为0；输入其他字符时终止程序。利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。实验三控制系统的Simulink仿真1、目的要求学习使用Simulink进行系统仿真的方法2、主要实验仪器与材料PC机1台MATLAB6.X环境3、掌握要点Simulink的基本操作以及创建仿真系统模型的具体步骤4、实验内容给定系统模型图，利用Simulink求输出量的动态响应；已知线性定常系统的状态方程和初始状态，利用Simulink求系统状态方程的解；利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。实验四控制系统的分析方法1、目的要求掌握如何使用Matlab进行系统的时域分析掌握如何使用Matlab进行系统的频域分析2、主要实验仪器与材料PC机1台MATLAB6.X环境3、掌握要点根据Matlab控制系统工具箱所提供的常用函数编写出仿真程序，实现对线性系统进行分析。4、实验内容对给定系统进行时域分析；对给定系统进行频域分析；利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。实验五面向微分方程的数字仿真1、目的要求掌握不同数学模型之间的相互转换。掌握以微分方程组形式描述的连续系统的数字仿真方法和步骤。掌握ode45函数的MATLAB程序的编写方法。2、主要实验仪器与材料PC机1台MATLAB6.X环境3、掌握要点模型相互转换函数及ode45使用4、实验内容已知系统的传递函数，用MATLAB建立其状态空间表达式；已知系统的状态空间表达式，用MATLAB求其传递函数阵；已知一系统的数学模型，用MATLAB的函数表述该系统的数学模型，使用函数ode45求解，并画出图形；利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。实验六控制系统数字仿真的实现1、目的要求掌握PID控制器的设计方法和步骤；掌握用Simulink建立PID控制器以及构建系统模型与仿真的方法。掌握子系统的创建、封装及应用方法。2、主要实验仪器与材料PC机1台MATLAB6.X环境3、掌握要点在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。4、实验内容已知某系统的数学模型，若输入为单位阶跃响应，求系统的响应。按照其，设置不同参数的PID控制器并比较仿真结果；已知某系统的数学模型，若输入为单位阶跃响应，求系统的响应并设计PID控制器使系统输出稳态误差为0，超调量小于10%，调节时间小于20s。已知某单位负反馈系统。分别求出：当输入信号为阶跃函数信号时，系统输出响应。若要求系统动态性能指标满足如下条件：a)动态过程响应时间；b)动态过程响应上升时间；c)系统最大超调量。设计PID调节器参数。利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验过程和实验步骤和结果写在报告中。六、教学方法为了提高教学质量，增强学生分析问题和解决问题的能力，本课程的教学采用课堂教学、课后作业、上机实践等相结合的教学方式方法，使学生能够灵活的运用知识点。主要教学环节包括课堂教学、习题练习以及课后自学。1、课堂教学与互动讨论课堂教学以“互动式”方法为主导，在这一教学环节，学生以听课为主，并参与讨论，采用多媒体和板书相结合的教学手段，并辅以程序实例演示和教学，以此提高课堂效率。2、课后作业和自学课堂上，教师应有针对性的提出作业要求。学生通过完成作业加深对控制系统数字仿真原理和方法的理解，增强运用基本理论分析实际系统的能力。给学生推荐国家级精品课程、国内/国际名校视频公开课、编程论坛，让学生开阔眼界，共享优质教学资源，培养学生自主学习的意识和能力。3、实验教学控制系统数字仿真是一门重要的专业选修课。为了使学生加深对理论教学内容的理解，帮助学生更加直观地认识控制系统数字方法，训练学生的分析解决实际问题能力，本课程配合理论学习，安排有16学时的实验。实验要求学生在教师的指导下，能独立完成所要求的仿真设计工作。七、考核与评价方式及标准1、考核标准与成绩评定课程考核包括平时成绩、期末考试两个部分。平时成绩（百分制），包括作业、课堂互动及实验等。平时成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）掌握控制系统的组成、结构、建模方法；掌握Matlab、Simulink的使用方法和编程技巧；掌握控制系统的时域、频域、根轨迹分析方法；掌握Matlab环境下控制系统的超前─滞后校正器及PID控制器设计方法。能够使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，用控制系统数字仿真技术解决熟练掌握控制系统的组成、结构、建模方法；Matlab、Simulink的使用方法和编程以及系统分析及控制器的设计技巧使用灵活。熟练使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，熟练运用控制系统数字仿真技术解决工程实际需求。较熟练地掌握系统的组成、结构、建模方法；Matlab、Simulink的使用方法和编程以及系统分析及控制器的设计技巧使用较灵活。较熟练使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，能较熟练地运用控制系统数字仿真技术解基本掌握系统的组成、结构、建模方法；基本会运用Matlab、Simulink的使用方法和编程以及系统分析及控制器的设计技巧。基本会使用文献检索等现代化工具，拟定解决方案。进行团队合作，基本能运用控制系统未掌握系统的组成、结构、建模方法；对Matlab、Simulin的使用方法和编程以及系统分析及控制器的设计毫无头绪。不会使用文献检索等现代化工具拟定解决方案。不具备运用控制系统数字仿真实际工程需求。决工程实际需求。数字仿真技术解决工程实际需求。技术解决实际工程需求的能力。实验成绩评价标准基本要求评价标准优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目标1/2能够根据实验项目1-6的内容开展实验，记录和分析实验结果。能够根据《控制系统数字仿真》课程的基本原理开展实验，实验结果正确，结果分析全面；设计性实验的方案正确。报告书写工整、清晰，符号、单位等符合规范。能够根据《控制系统数字仿真》课程的基本原理开展实验，实验结果较正确，有结果分析；设计性实验的方案较正确。报告书写清晰，主要符号、单位等符合规范。基本能够根据《控制系统数字仿真》课程的基本原理开展实验，实验结果基本正确，部分结果分析；设计性实验的方案基本正确。报告极小部分抄袭，符号、单位等基本规范。无法根据《控制系统数字仿真》课程的基本原理开展实验，实验结果不正确，无结果分析；设计性实验的方案不正确。报告抄袭。期末考试（百分制）开卷，题型包括：问答题、计算题。课程期末考试考核内容与要求基本要求评价标准比例（%）优秀（0.9-1）良好（0.7-0.89）合格（0.6-0.69）不合格（0-0.59）目标1掌握控制系统的组成、结构、建模方法。能够应用Matlab软件编程技巧和Simulink仿真环境下控制系统的建模方法。能够熟练掌握结构、建模方法；Matlab软件编程技巧和Simulin仿真环境下控制系统的建模方法。能够较为熟练掌握结构、建模方法；Matlab软件编程技巧和Simulin仿真环境下控制系统的建模方法。基本掌握掌握结构、建模方法；Matlab软件编程技巧和Simulin仿真环境下控制系统的建模方法。没有掌握掌握结构、建模方法；Matlab软件编程技巧和Simulin仿真环境下控制系统的建模方法。50目标2掌握控制系统的数学描述及计算机辅助分析方法，设计控制系统的控制器，对自动化领域的工程问题进行综合分析。能够熟练运用系统的数学描述及计算机辅助分析方法，设计控制器，对自动化领域的工程问题进行综合分析。能够运用系统的数学描述及计算机辅助分析方法，设计控制器，对自动化领域的工程问题进行综合分析。基本运用系统的数学描述及计算机辅助分析方法，设计控制器，对自动化领域的工程问题进行综合分析。无法运用系统的数学描述及计算机辅助分析方法，设计控制器，对自动化领域的工程问题进行综合分析