《复杂系统建模与仿真（Matlab）》教学大纲

《复杂系统建模与仿真（Matlab）》教学大纲课程编号：13230434英文名称：ModelingandSimulationofComplexSystems(Matlab)学分：2.0学时：总学时40学时，其中理论24学时，实践16学时先修课程：电路原理、复变函数与积分变换、线性代数（理工）课程类别：专业拓展课程授课对象：机器人工程专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第6学期一、课程描述和目标本课程是机器人工程专业的一门重要的专业基础课和工具性课程。课程面向智能仪器仪表信号处理、多轴机器人控制系统等复杂系统，掌握系统建模与仿真相关专业知识，具备复杂系统建模、性能分析、控制器设计、信号提取等方面的仿真和优化能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：系统地掌握系统建模与仿真相关专业知识，了解Matlab建模与仿真原理及应用，理解其在系统建模与仿真的适用范围，并能完成相关单元模块的仿真设计；课程目标2：能够根据复杂工程建模、分析和仿真的具体要求，进行团队合作，选择合适的工具箱和优化算法，进行性能分析、参数计算和系统设计；课程目标3：能够辩证吸收团队其他队成员的意见和建议，能够根据智能仪器仪表信号处理、多轴机器人控制系统等工程问题，开发相应的仿真平台，进行性能分析、参数优化和系统设计，明确仿真系统的适用范围和局限性。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求观测点课程目标权重3.2能够针对特定需求，完成感知、控制、驱动、执行等单元模块的设计；课程目标1H9.1理解多学科背景下团队合作的重要性，能够与其他成员有效沟通，合作共事；课程目标2M9.3能够辩证吸收团队其他队成员的意见和建议，组织、协调和指挥团队开展工作。课程目标3H三、教学内容、基本要求与学时分配（一）理论教学序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1绪论：结合案例和仿真演示等形式，介绍系统仿真技术的现状和发展趋势，讨论课程的学习方法、教学计划和考核要求基本要求：掌握系统建模与仿真的基本概念及其应用，了解常用的仿真建模软件重点难点：Matlab编程语言灵活应用德育要求：合作共赢2集中讲授、文献阅读课程目标12Matlab程序设计基础：讲解和实践Matlab环境下的数据结构、矩阵运算、多项式计算、函数调用与编写等基本要求：了解MATLAB语言的基本使用环境及MATLAB语言的数据结构，掌握矩阵、多项式的运算及MATLAB函数编写与技巧。重点难点：函数调用德育要求：职业规范4集中讲授、课后作业课程目标13MATLAB/Simulink基础：Simulink的工作环境和建模方法基本要求：熟悉Simulink的工作环境，熟练掌握MATLAB编程和Simulink建模仿真的基本方法，了解Simulink建模仿真的基本过程重点难点：复杂系统的Simulink模型搭建德育要求：实事求是2集中讲授课程目标14动态系统仿真建模与分析设计：静态系统MATLAB编程仿真、动态系统数学模型及其求解、动态性能分析基本要求：掌握静态系统MATLAB编程仿真的基本方法，了解动态系统常用的数学模型，了解动态方程求解的基本原理和方法，熟练掌握动态系统建模及性能分析的基本方法，了解模型对象的概念及其应用重点难点：动态方程的求解与性能分析德育要求：实事求是4集中讲授课程目标1课程目标25Simulink控制系统分析与设计：线性系统模型构建、性能分析及PID控制器设计基本要求：了解控制系统常用的数学模型及其建模仿真方法，掌握Simulink控制工具箱中的常用模块及其在控制系统建模与仿真中的基本使用方法，了解MATLAB控制器设计工具的基本使用方法重点难点：PID设计与参数整定德育要求：实践出真知4集中讲授、团队讨论课程目标2课程目标36数字滤波器的辅助分析与设计：数字滤波器的基本概念、数学模型及常用的设计指标及其设计方法基本要求：利用MATLAB提供的各种滤波器辅助分析设计工具进行数字和模拟滤波器设计的基本方法重点难点：数字滤波器设计优化德育要求：与时俱进4集中讲授+团队讨论课程目标2课程目标37机器人系统建模与仿真：多轴机器人数学模型、性能分析与控制器设计基本要求：能根据数学模型对多轴机械臂进行运动轨迹分析和控制重点难点：模型构建、控制器设计、仿真与优化德育要求：与时俱进4集中讲授+团队讨论课程目标2课程目标3合计24（二）实验教学序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1Matlab语言基础熟悉Matlab操作环境、常用函数，建立系统模型，进行模型转换。2验证课程目标12Matlab仿真基础熟悉Simulink环形，建立动态系统模型，在不同解法器、参数条件下进行仿真运算，并进行结果比较2验证课程目标13S-function开发学习利用M文件编程S-function，掌握S-function编程方法2验证课程目标14自动控制系统建模与仿真了解自动控制系统建模与仿真的基本方法，了解matlab提供的控制系统辅助分析设计工具4综合课程目标1课程目标2课程目标35滤波器设计实验了解数字IIR、FIR滤波器设计工具和方法2验证课程目标1课程目标26多轴系统建模与分析掌握系统模型构建方法，能够利用系统工具实现多轴系统的性能分析和控制器优化设计4设计课程目标2课程目标3合计16四、课程教学方法采用课堂讲授与课外自学、实践讨论相结合的方式，系统介绍Matlab的基本语法和基本功能、系统仿真及其在自动化领域的典型应用，掌握基本的系统仿真方法，具备系统仿真能力，激发学生学习兴趣，为后续课程学习奠定必要的数学和软件基础五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容由平时作业、课程实验、上机测试和项目大作业组成，均按百分制计分，其中平时作业占15%，课程实验占20%，上机测试占10%，项目大作业占55%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1平时作业1050152课程实验1055203上机测试550104综合设计项目20152055课程目标对应分值453025100（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分平时作业系统地掌握系统建模与仿真相关专业知识，能根据具体的任务要求选用合适的工具箱来完成任务要求基本具备系统建模与仿真相关专业知识，能使用工具箱来解决具体任务要求具备系统建模与仿真知识，但未灵活掌握，无法有效解决具体任务要求（50-70%）系统建模与仿真相关专业知识掌握交叉，不具备使用合适的共具箱来解决具体任务的能力2.课程实验分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分课程实验能根据要求，选择或开发合适的工具箱或仿真平台，完成实验任务，理解工具箱适用范围和局限性。能根据实验要求，选择工具箱或搭建仿真平台，完成大部分实验任务（>70%），理解工具箱适用范围和局限性。能根据实验要求，选择工具箱或搭建仿真平台，完成部分实验任务（50-70%），理解工具箱适用范围和局限性。无法完成实验任务（<50%），对建模仿真工具箱使用方法和适用范围不了解或不掌握3.上机测试根据测试题目及评分标准进行打分（百分制）。4.综合设计项目分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分项目大作业系统性能：能根据具体任务要求完成系统建模、分析和控制设计，性能指标符合任务要求。答辩成绩：能从系统特性和任务要求出发，对工具箱选择和使用、系统设计等进行分析和阐述，准确回答提问。项目报告：能利用系统建模和仿真相关知识，从项目任务和系统特性出发，阐述设计思路、仿真平台设计与性能，讨论系统的适用范围和局限性。系统性能：能根据具体任务要求完成系统建模、分析和控制设计，性能指标大部分符合任务要求。（>70%）答辩成绩：能从系统特性和任务要求出发，对工具箱选择和使用、系统设计等进行较为准确的分析和阐述。项目报告：能利用系统建模和仿真相关知识，从项目任务和系统特性出发，较为清楚的阐述设计思路、仿真平台设计与性能，讨论系统的适用范围和局限性。系统性能：能根据具体任务要求完成系统建模、分析和控制设计，性能指标符合任务要求（>50%）。答辩成绩：能从系统特性和任务要求出发，对工具箱选择和使用、系统设计等有分析和阐述。项目报告：能利用系统建模和仿真相关知识，从项目任务和系统特性出发，描述设计思路、仿真平台设计与性能。系统性能：未根据具体任务要求完成系统建模、分析和控制设计，性能大部分不符合任务要求（<50%）。答辩成绩：无法能从系统特性和任务要求出发，对工具箱选择和使用、系统设计等进行分析和阐述，准确回答提问。项目报告：未从项目任务和系统特性出发，阐述设计思路、仿真平台设计与性能，讨论系统的适用范围和局限性。六、教材与参考书（一）推荐教材1．《Matlab/Simulink系统建模与仿真》,向军编著,清华大学出版社，2021年4月版。2.《Matlab实用教