《机器人控制系统仿真》教学大纲

《机器人控制系统仿真》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22150061课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：机器人工程学、机器人驱动与运动控制、自动控制原理A等后续课程：机器人控制理论、智能机器人适用专业：机器人工程专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《机器人控制系统仿真》是机器人工程专业的一门专业选修课。本课程主要是学习机器人控制系统仿真的原理、方法和特点，以及仿真软件MATLAB（含Simulink）的典型建模方法。本课程注重MATLAB仿真软件的基本使用操作，强调使用数学建模的方法将机器人控制系统模型化，培养学生使用仿真建模的方法去解决生产实际中的问题能力。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握仿真软件MATLAB的基本操作方法，掌握机器人控制系统的一般分析方法。课程目标2：能够对于较复杂的机器人控制系统建立其数学模型，并能够设计PID控制器优化其控制性能；培养学生不怕困难，勇于迎接挑战的科学精神。课程目标3：能够熟练使用MATLAB仿真软件，同时能够对于简单的机器人控制系统建立其数学模型，并进行仿真分析，求解。课程思政：夹缝求生，中国机器人的艰难发展历程和最新突破三、课程目标与毕业要求《机器人控制系统仿真》课程教学目标对机器人工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识:具有从事机器人工程领域所需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，并能够综合应用这些知识解决机器人工程领域复杂工程问题。1．1掌握机器人工程领域所需数学、自然科学知识，具备理解和表述复杂工程的计算和分析能力。课程目标1：掌握仿真软件MATLAB的基本操作方法，掌握机器人控制系统的一般分析方法。M2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，针对机器人工程领域的复杂工程问题，通过查阅文献资料进行识别、表达和研究分析，掌握对象特性，以获得有效结论。2．2应用数学、物理等方法和专业知识，能够对机器人工程类复杂问题进行建模。课程目标2：能够对于较复杂的机器人控制系统建立其数学模型，并能够设计PID控制器优化其控制性能；培养学生不怕困难，勇于迎接挑战的科学精神。M5.使用现代工具：能够针对机器人工程领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5．2能够运用MATLAB、Proteus、PLC、ROS等工具对机器人领域的复杂工程问题进行设计、开发和仿真分析，并理解其局限性。课程目标3：能够熟练使用MATLAB仿真软件，同时能够对于简单的机器人控制系统建立其数学模型，并进行仿真分析，求解。H注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.MATLAB应用基础1.1机器人控制系统简介1.2MATLAB简介1.3MATLAB基本使用方法思政1：从北理工华汇双足机器人看中国科技崛起思政2：“木牛流马”—古人的机器人雏形教学要求：了解机器人控制系统发展；认识机器人控制系统的结构；熟悉MATLAB的操作界面，并了解其常用的工具箱；掌握在MATLAB中数值运算、符号运算、控制语句以及绘图功能。重点：常用的控制语句、数值运算、符号运算。难点：能够选取合适的控制方式；掌握常用的控制语句以及绘图功能。621、32.基于MATLAB/Simulink的控制系统建模与仿真2.1Simulink模块库2.2Simulink基本操作2.3Simulink建模与仿真教学要求：理解掌握Simulink的窗口功能；掌握控制系统模型的建立及仿真。重点：常用的模块使用方法、控制系统的建模与仿真。难点：控制系统的建模与仿真。621、23.建立SCARA机器人动力学数学模型并实现仿真3.1分析机器人运动学3.2分析机器人动力学3.3规划机器人运动轨迹思政3：分析问题，解决问题，培养学生严谨的工作态度，加强职业道德和职业规范教育教学要求：运用机器人数学基础知识和SCARA机器人的结构参数，进行运动学分析并实现仿真；利用动力学方程推导SCARA机器人的动力学方程并实现仿真；掌握机器人运动轨迹的规划。重点：掌握数学模型的建立方法、实现matlab仿真。难点：仿真SCARA机器人运动学；仿真SCARA机器人动力学；规划机器人运动轨迹。821、2、34.建立机器人控制系统模型4.1设计运动轨迹4.2建立动力学模型4.3建立完整的控制系统模型思政4：带领学生逐步思考分析问题，引导学生不畏困难、精益求精的工匠精神，树立科技强国的责任感和使命感教学要求：设计SCARA机器人整套控制仿真方案，包括轨迹的设计、电机模型的建立、PID控制模型的建立、动力学模型的建立以及腕部解耦模型的建立。重点：建立电机模型，建立PID控制模型。难点：通过第三章利用Simulink建立的各个模块模型，建立完整的SCARA机器人的控制系统模型。421、2、3合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.MATLAB的基本操作和基本运算实验内容：练习MATLAB的命令的基本操作。实验要求：练习数值的基本运算操作、m文件的基本操作以及简单的绘图操作。21、32.Simulink仿真环境及模型的建立实验内容：学习如何用Simulink仿真工具建模。实验要求：在Simulink仿真环境中建立模型22、33.控制系统的时域、频域分析法实验内容：学习MATLAB/Simulink在时域、频域分析的实现。实验要求：掌握控制系统的时域、频域响应及性能指标。22、34.机器人控制系统PID控制器设计实验内容：对机器人控制系统进行PID控制器设计实验要求：设计PID控制器，并了解P、I、D三种控制作用对系统性能的影响22、3合计8五、教学方法及手段课程教学以课堂讲授为主，结合实验、作业、慕课、学习通资源，配合多媒体课件等完成堂授课内容。采用E-mail、QQ、微信等交流工具，加强和学生之间的交流和沟通。本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、MATLAB仿真软件的演示、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。在学生基本掌握仿真软件MATLAB的基础之上，具有对机器人控制系统进行仿真的能力。在实验教学环节中，通过任务式教学、讨论式教学培养学生对仿真软件MATLAB的基本操作能力及相应的分析能力。培养学生自主学习能力、激发学生的创新思维。六、课程资源1.推荐教材：（1）张聚著.《基于MATLAB的控制系统仿真及应用》（第二版）[M].北京:电子工业出版社.2018。2.参考书：（1）刘金琨著.《机器人控制系统的设计与MATLAB仿真》[M].北京:清华大学出版社.2008.6.（2）徐保国等编著.《MATLAB/Simulink实用教程》[M].北京:清华大学出版社.2017.10.（3）李献等编著.《MATLAB/Simulink系统仿真》[M].北京:清华大学出版社.2017.8.3.期刊：（1）向文韬,陈绪兵,戴耀南.利用MATLAB与ADAMS对6R机器人控制系统仿真.机床与液压[J].2020,48(23):19-22.（2）彭建盛,李兴,秦志强,等.智能机器人仿真系统设计.计算机仿真[J].2013,30(05):358-361.（3）胡峰,骆德渊,雷霆,等.基于Simulink/SimMechanics的三自由度并联机器人控制系统仿真.自动化与仪器仪表[J].2012,(05):221-223.（4）孙增圻.机器人系统仿真及应用.系统仿真学报[J].1995,(03):23-29.（5）DuYongZhong,PingXueLiang,ChenLuGang,XuWeiBin.MotionControlofWeldingRobotBasedonADAMSandACR-9000[J].AdvancedMaterialsResearch.2012(542)4.网络资源：（1）/?s_tid=gn_logoMathWorks官网（2）/中国机器人网.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442实验20（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√5105作业10（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√55期末考核60（1）期末考核以课程大作业的方式提交，大作业卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核学生运用MATALB软件对机器人控制系统进行综合分析的能力。（3）大作业题型为：综合分析题√√√252510合计：100分394417八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末大作业和过程性考核成绩组成。其中：期末大作业成绩为100分（权重60%），大作业类型为综合分析题；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，偶尔参与教学活动。上课不认真，不参与教学活动。作业25作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80%，字迹工整。不交作业2次以内