控制系统仿真课程教学大纲

控制系统仿真课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：201404137课程中文名称：控制系统仿真课程英文名称：Controlsystemsimulation课程性质：专业选修课程开课专业：自动化开课学期：7总学时：32（其中理论24学时，上机8学时）总学分：2二、课程目标本课程是自动化等专业本科生的一门专业选修课。控制系统仿真是控制工程领域工程师必须熟练掌握的重要知识和技能，培养学生进行控制系统计算机辅助分析、设计与研究的思维和开发实施及协作创新能力，以解决实际问题为驱动，激发学生的学习兴趣，通过实验设计，使学生获得综合运用专业知识和计算机技术解决问题的方法。三、教学基本要求本课程是一门针对控制理论课程的实践性应用型非常强的课程，要求学生要理论联系实际，在熟练掌握基本概念原理、基本方法和应用后，重点应放在与工程实际的结合应用能力上，上机操作是本课程重要的教学环节。授课安排上具有系统性又有方向性，使学生掌握控制系统仿真原理现状、发展趋势；培养学生具备进行控制系统仿真的知识、能力和素质，厚基础、强能力、重创新。1、了解控制系统仿真的基本概念、发展历史、现状、应用背景及发展前沿。2、具有应用控制系统仿真知识的能力。3、能够解决实际工程工作中控制系统计算机辅助分析、设计与研究问题。4、具备研究思维、独立研发实施和协作创新等基本素质。5、具有阅读中外专业文献并撰写科技论文能力。四、教学内容与学时分配1绪论(2学时)掌握控制系统仿真原理现状、发展趋势以及应用、常用的控制系统仿真方法，系统仿真的过程、步骤。2仿真软件——MATLAB(1学时)2.1MATLAB简介：MATLAB的交互方式，MATLAB工具箱简介2.2程序设计基础与绘图功能：变量、常量与数据结构；基本语句结构与数学运算；MATLAB的流程结构、函数编写、调用与调试；绘图功能3动态仿真集成环境——Simulink（1学时）3.1Simulink简介：建模模块，输入、输出模块及输出显示形式3.2建模过程：模型的构造，子系统的建立，模型的封装3.3仿真过程：仿真参数设定，数据的分析、存储和可视4控制系统的数学模型及其转换（4学时）4.1数学模型的基本描述（2学时）：连续时间系统的数学模型，离散时间系统的数学模型4.2数学模型间的相互转换（2学时）：数学模型之间的相互关系，基于MATLAB的数学模型转换5连续系统仿真算法（4学时）5.1数值积分仿真算法（2学时）：欧拉法、梯形法、龙格库塔法，算法的实现及步长选择5.2离散相似法（2学时）：离散相似模型，基于结构图的仿真方法6采样控制系统的数字仿真--数字化仿真方法（4学时）离散调节器模型及仿真方法，保持器的数学模型及离散化，连续被控对象数学模型的离散化，采样周期与仿真步长的确定7基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计（2学时）7.1系统分析：基于MATLAB工具箱的控制系统频域、时域、根轨迹和状态空间分析7.2LTIViewer：LTIViewer浏览器7.3SISODesignTool：SISODesignTool，单变量系统设计8控制系统模型的建立（4学时）8.1过渡过程法,包括脉冲响应法和阶跃响应法；（1学时）8.2频率响应法和傅立叶分析法；（0.5学时）8.3相关技术和频谱分析；（0.5学时）8.4最小二乘法辨识模型参数（2学时）要求：熟练掌握系统仿真的基本原理及方法、连续时间系统的数学模型、欧拉法、梯形法、龙格库塔法，算法的实现及步长选择。五、教学方法及手段以课堂教学为主，使用多媒体课件授课；教师引导，学生利用课余时间查阅资料，通过课堂研讨，进行研究方案、步骤设计及编程上机调试，以实验数据及分析和小论文形式，使学生：1、掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；了解控制系统仿真的前沿发展现状和趋势；2、培养具有解决问题、实施工程实验的综合设计性、研究创新性的能力。六、实验（或）上机内容实验一：基本数值积分方法仿真（2学时）必做求解微分方程。采用欧拉法、梯形法、四阶龙格-库塔法等基本数值积分方法进行仿真，并运用Matlab所提供的函数、直接求解法求解，分析对比结果。实验二：离散相似法仿真（2学时）必做针对某一控制系统的状态方程，采用零阶或一阶保持器，运用离散相似法进行仿真。实验三：控制系统分析（2学时）必做掌握使用matlab进行系统频域.、根轨迹针、能控、能观、稳定性分析。实验四：控制系统Simulink仿真（2学时）必做学习使用Simulink进行系统仿真的方法，设计PID子系统，典型控制系统的Simulink仿真。以下实验任选其一：实验五：控制系统设计。（2学时）使用Bode图，状态空间极点配置和状态观测器控制进行控制系统设计，编写程序并上机调试。实验六：水箱液位控制系统仿真研究（2学时）针对水箱液位控制系统建模，并采用Matlab（Simulink）仿真。实验七：水箱温度控制系统仿真研究。针对水箱温度控制系统建模，并采用Matlab（Simulink）仿真。实验八：半物理仿真。（2学时）针对一阶倒立摆系统、或二阶倒立摆系统、或球杆系统，进行实时控制半物理仿真。实验九：利用最小二乘法辨识模型参数（2学时）针对某一控制系统模型，辨识其模型参数，并且仿真。实验十：研究创新型实验（2学时）学生自主命题，针对一个控制系统进行综合设计实验并实施。七、前续课程、后续课程前续课程：高等数学、线性代数、概率论与数理统计、C语言、自动控制理论后续课程：毕业设计。八、参考教材及学习资源[1]教材：管凤旭,姜倩.控制系统仿真实验技术.北京:清华大学出版社,2015.3[2]赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践(第3版).北京:北京航空航天大学出版社,2016.10[3]张袅娜,冯雷.控制系统仿真.北京:机械工业出版社,2014.1[4]赵雪岩,李卫华等.系统建模与仿真.北京:国防工业出版社,2015.5九、考核方式考核方式：课堂研讨10％，小论文40％，实验40％，平时成绩10％教学基本要求项考核形式占总成绩的比例了解