《控制系统仿真与CAD》课程教学大纲

1、PAGE PAGE 4控制系统仿真与CAD课程教学大纲一、课程基本信息课程编号130400010课程名称控制系统仿真与CAD课程英文名称Control System Simulation and CAD总学时40讲课学时32实验学时8上机学时习题课学时周学时4学分2.5开课单位人工智能与机器人研究所适用专业自动化先修课程高等数学、线性代数、自控原理、现代控制理论课程性质工程技术基础课程类型必修课选用教材薛定宇编著，控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用（第三版），北京：清华大学出版社，2012. 主要教学参考书薛定宇编著，控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用（第二版），北京：

2、清华大学出版社，2006.薛定宇编著，基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，北京：清华大学出版社，2011.本课程地位(作用)和任务近十年来，随着MATLAB语言和Simulink仿真环境在控制系统研究与教学中日益广泛的应用，在系统仿真、自动控制等领域，国外很多高校在教学与研究中都将MATLAB/ Simulink语言作为首选的计算机工具。我国的科学工作者和教育工作者也逐渐认识到MATLAB语言的重要性，对MATLAB语言在理工科教学与科研中的地位也达成了共识。以国际上最流行的MATLAB/Simulink语言为主要工具，在全新的框架下对控制系统建模、仿真、分析与设计进行了较

3、全面的介绍，包括MATLAB语言的编程方法及其在各类数学问题求解中的应用；各类线性系统模型的表示方法与模型转换、系统辨识问题的求解方法；控制系统的计算机辅助分析；基于Simulink的控制系统建模仿真的方法；应用技巧及建模实例；控制系统的计算机辅助设计算法；半实物仿真与快速原型设计等内容。二、理论教学内容及基本要求1 控制系统仿真与计算机辅助设计概述（1.5学时）1.1 为什么采用MATLAB语言？1.2 课程的主要结构1.3 控制系统计算机辅助设计方法概述2 MATLAB 必备基础知识（2.5学时）2.1 MATLAB 语言程序设计基础 了解MATLAB 数据结构并掌握基本语句结构，包括直接

4、赋值语句和函数调用语句。了解并掌握循环语句结构、条件语句结构、开关语句结构以及与众不同的试探语句。2.2 MATLAB 语言图形绘制方法 掌握二维图形和三维图形绘制命令与函数与各种图形的绘制方法，可以将实验结果和仿真结果用可视的形式显示出来。2.3 图形用户界面设计技术 3 科学运算问题的MATLAB求解（4学时）掌握MATLAB 语言在线性代数问题、微分方程问题及最优化问题中的应用，系统地了解数学运算问题的MATLAB 求解方法。4 线性控制系统的数学模型（7学时）4.1 线性连续系统的数学模型输入 了解基本的数学模型，并掌握这些模型在MATLAB 环境下的表示方法及多变量系统的表示方法。4

5、.2 线性离散系统的数学模型输入 了解基本的数学模型，并掌握这些模型在MATLAB 环境下的表示方法。4.3 系统模型的相互转换 掌握基于MATLAB 的系统模型转换方法，如连续与离散系统之间的相互转换和状态方程转换成传递函数模型的方法，以及转换成状态方程模型的各种实现方法。4.4 方框图模型的化简 了解三类典型的连接结构：串联、并联和反馈连接，并掌握模块输入、输出从一个节点移动到另一个节点所必需的等效变换及复杂系统的等效变换和化简。4.5 线性系统的模型降阶了解线性系统的模型降阶的原理与实现。4.6 线性系统的模型辨识 了解线性系统的模型辨识的原理与实现。5 线性控制系统的计算机辅助分析（5

6、学时）5.1 线性系统定性分析 了解系统稳定性的判定方法和系统的可控性和可观测性等系统性质的分析，并掌握其他的各种标准型实现。5.2 线性系统的时域分析-解析求解与数值求解 掌握两种线性系统的解析解方法，基于状态方程的解析解方法和基于传递函数的解析方法。掌握阶跃响应、脉冲响应的数值解求法及响应曲线绘制方法合一般输入下系统时域响应数值解及曲线绘制等内容，了解多变量系统的时域响应分析方法。5.3 线性系统的根轨迹分析 掌握MATLAB 中提供了rlocus() 函数。5.4 线性系统的频域分析 了解单变量系统的频域分析方法，基于Nyquist 定理的稳定性分析，多变量系统的逆Nyquist 阵列等

7、，能够进行频域稳定性裕量的分析。5.5 多变量系统的频域分析6 非线性系统的仿真方法（6学时）6.1 Simulink 建模的基础 了解Simulink 的概况，掌握Simulink 提供的常用模块组及常用模块。6.2 控制系统建模与仿真 掌握Simulink 的模型建立方法，包括模块绘制、连接与参数修改，系统仿真参数设置，并通过一般非线性系统、一般多变量系统、采样系统、多速率采样系统、时变系统等和控制系统的建模与仿真方法。6.3 Simulink的高级技术 掌握Simulink 建模的高级技术，包括子系统、模块封装及模块集编写等建模方法。7 控制系统的经典设计方法（4学时）7.1 超前滞后校

8、正器设计7.2 状态空间设计方法7.3 最优控制器设计7.4 多变量系统频域设计8 PID控制器的参数整定（1学时）掌握应用PID参数整定的主要方法，并可以在PID控制器程序界面上进行控制器设计与实现。9. 分数阶系统的分析与设计（1学时）了解分数阶微积分的基本理论与概念，掌握分数阶控制系统分析与设计的主要方法。三、上机实验教学内容及基本要求（8学时）上机实验是本课程重要的实践教学环节。实验的目的不仅仅是验证理论知识，更重要的是通过上机加强学生的实验手段与实践技能，掌握应用MATLAB/Simulink求解控制问题的方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合

9、素质。上机学时为8学时，主要内容是基于上课内容对课后典型习题应用MATLAB/Simulink进行求解，基本掌握常见控制问题的求解方法与命令调用，更深入地认识和了解MATLAB语言的强大的计算功能与其在控制领域的应用优势。上机实验最终以书面报告的形式提交，作为期末成绩的考核内容。四、教学要求表述说明根据教学要求的程度不同，在表述上采用了“掌握”、“理解”、“了解”、“能够”等文字，其涵义分别描述如下：关于理论知识：对要求“掌握”和“理解”的内容，要做到概念清楚，原理明白，方法熟练，并应当对有关知识形成较长时间的记忆。相比较而言，“理解”在要求程度上要弱一些。对要求“了解”的内容，应当知道有关的名词、概念和相关知识，并能正确地进行表述。关于方法与应用技术：对要求“掌握”和“能够”的内容，要做到全面认识应用对象，能运用基本理论分析和解决实际问题，掌握相关的计算和电路设计方法，相比较而言，“能够”在要求程度上要弱一些。对要求“了解”的内容，应当概念清楚，知道相应方法的理论依据和有关的结论。五、教学安排及方式开课学期：7，总学时 40 学时，讲课 32 学时，上机 8 学时学时分配表：教学环节教学时数课程内容讲 课实 验习 题 课讨 论 课上 机参观或看录像小 计控制系统仿真与计算机辅助设计概述1.5MATLAB 语言程序设计基础2.5科学运算问题的MATLAB求解42线性控制系统的数学