系统建模与仿真 教学大纲

PAGEPAGE11《系统建模与仿真》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称系统建模与仿真课程编号课程性质选修课课程类别学科专业选修课开课单位智能制造教研室授课学期第6学期学分/学时2/32课内学时32理论授课16上机学时16课内实践0实验学时0课外学时32适用专业智能制造工程专业是否双语否先修课程高等数学、线性代数、控制工程基础后续课程毕业设计二、课程简介《系统建模与仿真》是一门以控制理论为基础、以计算机仿真软件为工具的专业选修课，主要研究系统模型及其求解，数据可视化及仿真程序设计的应用性学科，其基本理论和方法渗透在工程技术的各个领域，是工程设计和实验研究的基础。通过本课程的学习，学生能够了解系统建模、计算机仿真的基本概念、原理和方法等主要基础知识，熟悉系统建模与仿真技术常用的仿真算法和应用领域，初步掌握MATLAB/SimuLink软件在机、电、液、测、控一体化技术领域的主要应用。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标通过本课程的学习，使学生达到以下目标：课程目标1（知识传授）.系统地掌握系统建模与仿真相关专业知识，在机、电、液、测、控一体化技术领域得到系统分析与设计方面的基本训练，具有智能制造工程专业技术领域的较宽广的知识结构。课程目标2（能力培养）.通过课程学习和项目案例分析，使学生能够通过检索文献，并结合所学知识对机、电、液、测、控一体化技术领域的工程系统进行建模及仿真验证，基本具有综合运用理论知识、技术手段和工程方法解决工程实际问题的能力。具有自觉的批判意识和创新意识，能够思考专业工程实践的可持续性，评价产品周期中可能对人类和环境造成的损害和隐患。课程目标3（价值塑造）.通过系统建模与仿真的工程实践，培育社会责任感和科学严谨、求真务实的工程职业素质。（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标15.2能够开发或应用满足特定需求的现代工具，对智能制造工程领域复杂工程问题进行模拟与预测，并能够理解其局限性。5-使用现代工具课程目标22.3具备文献资料检索能力，能够对文献进行分析和归纳，并将其用于分析复杂智能制造工程问题，以获得有效结论。5.2能够开发或应用满足特定需求的现代工具，对智能制造工程领域复杂工程问题进行模拟与预测，并能够理解其局限性。7.2能够站在环境保护和可持续发展的角度思考专业工程实践的可持续性，评价产品周期中可能对人类和环境造成的损害和隐患。2-问题分析5-使用现代工具7-环境和可持续发展课程目标32.3具备文献资料检索能力，能够对文献进行分析和归纳，并将其用于分析复杂智能制造工程问题，以获得有效结论。5.2能够开发或应用满足特定需求的现代工具，对智能制造工程领域复杂工程问题进行模拟与预测，并能够理解其局限性。2-问题分析5-使用现代工具四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容第一单元建模与仿真的基本概念（学时数：2学时）1.课程主要内容（1）系统建模与仿真的基本概念及其应用。（2）常用的仿真建模软件及发展综述。（3）系统建模与仿真技术发展现状、趋势及应用领域。2.重点和难点重点：（1）系统建模与仿真的基本概念。（2）常用的仿真建模软件及发展综述。（3）系统建模与仿真技术发展现状、趋势及应用领域。难点：系统模型的表达方法。3.教学方法讲授法、讨论法。4.学生学习预期成果识记：系统建模与仿真的基本概念；常用的仿真建模软件。领会：系统建模与仿真技术发展现状及趋势。应用：系统建模与仿真技术的应用领域。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标3第二单元MATLAB基础（学时数：4学时）1.课程主要内容（1）MATLAB运行界面及工具箱。（2）数组与矩阵的生成运算。（3）图形处理方法。（4）M语言基础使用方法。2.重点和难点重点：（1）MATLAB运行界面及工具箱。（2）数组与矩阵的生成运算。（3）图形处理方法。（4）M语言基础使用方法。难点：数组与矩阵的应用。3.教学方法讲授法、案例分析法。4.学生学习预期成果（1）熟悉MATLAB运行环境。（2）能够基于MATLAB语言完成数组、矩阵的生成运算。（3）能够基于MATLAB语言完成图形的基本处理。（4）掌握M语言设计规范及调用方法。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标3。第三单元MATLAB/Simulink基础（学时数：2学时）1.课程主要内容（1）MATLAB/Simulink的工作环境。（2）MATLAB编程和Simulink建模仿真的基本方法。（3）Simulink建模仿真的基本过程。（4）MATLAB中求解器的概念及设置方法。2.重点和难点重点：（1）MATLAB编程和Simulink建模仿真的基本方法。（2）MATLAB中求解器的概念及设置方法难点：MATLAB中求解器的概念3.教学方法讲授法、案例分析法。4.学生学习预期成果基于MATLAB编程和Simulink实现简单系统的建模仿真。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标3。第四单元MATLAB/Simulink控制系统分析与设计（学时数：4学时）1.课程主要内容（1）控制系统常用的数学模型及其建模仿真方法。（2）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。2.重点和难点重点：（1）控制系统常用的数学模型及其建模仿真方法。（2）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。（3）PID控制的概念及基本使用。难点：PID参数调节与仿真结果的联系。3.教学方法翻转课堂法、案例分析法、讨论法。4.学生学习预期成果基于MATLAB/Simulink能够完成控制系统的建模与仿真。5.支撑课程目标课程目标1、2、3。第五单元MATLAB/Simulink机电系统分析与设计（学时数：4学时）1.课程主要内容（1）四连杆机构的运动学建模与仿真。（2）二连杆机器手臂的动力学建模与仿真。2.重点和难点重点：（1）四连杆机构的运动学建模与仿真方法。（2）二连杆机器手臂的动力学建模与仿真方法。难点：函数的使用及数值运算。3.教学方法翻转课堂法、讨论法。4.学生学习预期成果（1）掌握机构的运动学建模与仿真方法。（2）掌握二连杆机器手臂的动力学建模与仿真方法。5.支撑课程目标课程目标1、2、3。上机内容一MATLAB基础上机（学时数：4学时）1.主要内容Matlab语言基础编程应用方法；基于Matlab语言的图形绘制技巧。2.重点和难点重点：（1）Matlab语言基础编程应用方法；（2）基于Matlab语言绘制方程曲线；（3）曲线的基础编辑保存。难点：Matlab程序语句错误查找。3实施方式课堂示范与指导。4.学习要求通过上机实践掌握Matlab语言基础应用。5.上机要求预先熟悉Matlab语言基础编程应用方法。6.学生学习预期成果能够独立完成基于Matlab语言的给定方程曲线绘制及编辑保存。7.支撑课程目标课程目标1.课程目标2.课程目标3上机内容二连续系统的模拟PID仿真（学时数：2学时）1.主要内容多种仿真方法实现以二阶线性传递函数为被控对象的模拟PID控制。2.重点和难点重点：（1）以二阶线性传递函数为被控对象的模拟PID控制；（2）Simulink的建模仿真方法。难点：M函数及S函数的使用。3实施方式课堂示范与指导。4.学习要求通过上机实践理解连续系统的模拟PID控制方法。5.上机要求预习M函数及S函数的编程范例。6.学生学习预期成果基于Simulink实现二阶线性系统的模拟PID控制。7.支撑课程目标课程目标1.课程目标2.课程目标3上机内容三连续系统的数字PID仿真（学时数：2学时）1.主要内容多种仿真方法实现以二阶线性传递函数为被控对象的模拟PID控制。2.重点和难点重点：以二阶线性传递函数为被控对象的数字PID控制。难点：M函数及S函数的使用。3实施方式课堂示范与指导。4.学习要求通过上机实践理解连续系统的数字PID仿真方法。5.上机要求预习M函数及S函数的编程范例。6.学生学习预期成果基于Simulink实现二阶线性系统的数字PID控制。7.支撑课程目标课程目标1.课程目标2.课程目标3上机内容四四连杆机构的运动学建模与仿真（学时数：4学时）1.主要内容四连杆机构的运动学建模与仿真。2.重点和难点重点：四连杆机构的运动学建模；Simulink的建模仿真方法。难点：积分器的初始条件设置。3实施方式课堂示范与指导。4.学习要求通过上机实践理解机构的运动学建模与仿真方法。5.上机要求预习机构的运动学建模与仿真编程范例。6.学生学习预期成果基于Simulink实现四连杆机构的运动学建模与仿真。7.支撑课程目标课程目标1.课程目标2.课程目标3上机内容五二连杆机器手臂的动力学建模与仿真（学时数：4学时）1.主要内容二连杆机器手臂的动力学建模与仿真。2.重点和难点重点：二连杆机器手臂的动力学建模；Simulink的建模仿真方法。难点：积分器的初始条件设置。3实施方式课堂示范与指导。4.学习要求通过上机实践理解机构的动力学建模与仿真方法。5.上机要求预习机构的动力学建模与仿真编程范例。6.学生学习预期成果基于Simulink实现二连杆机器手臂的动力学建模与仿真。7.支撑课程目标课程目标1.课程目标2.课程目标3（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排课内课外学时比例第一单元建模与仿真的基本概念讲授法、讨论法课程目标1、321:1第二单元MATLAB基础讲授法、案例分析法课程目标1、341:1第三单元MATLAB/Simulink基础讲授法、案例分析法课程目标1、321:1第四单元MATLAB/Simulink控制系统分析与设计翻转课堂法、案例分析法、讨论法课程目标1、2、341:1第五单元MATLAB/Simulink机电系统分析与设计翻转课堂法、讨论法课程目标1、2、341:1上机内容一MATLAB基础上机实验探究法课程目标1、2、34上机内容二连续系统的模拟PID仿真实验探究法课程目标1、2、321:1上机内容三连续系统的数字PID仿真实验探究法课程目标1、2、321:1上机内容四四连杆机构的运动学建模与仿真实验探究法课程目标1、2、341:1上机内容五二连杆机器手臂的动力学建模与仿真实验探究法课程目标1、2、341:1合计30五、课程考核及对课程目标的支撑（一）课程考核课程成绩构成（百分制）课程成绩构成比例考核环节目标分值考核/评价细则平时成绩50%测验（百分制）50由章节测验、知识点测验等组成。取各次成绩的平均值作为此环节最终成绩。目标分值=0.5*测验平均成绩课堂表现（百分制）50考核方式：由线上章节任务点（15%）、课堂互动（30%）、签到（5%）、学习次数（10%）和主题讨论（30%）组成。评分细则：按完成任务点的个数计分，全部完成得满分；参与投票、问卷、抢答、选人、讨论、随堂练习等课程互动活动获得相应分数，积分达到60分为满分；按出勤率计分(出勤次数/签到总数)；按章节学习次数计分，达100次为此项满分；主题讨论发表一个话题累计2.0分，回复一个话题累计2.0分，（同一话题下多次回复不重复得分），获得一个赞累计2.0分，最高分100分。目标分值=0.5*作业平均成绩实践成绩50%上机作业（百分制）50本门课程5次上机作业，主要考核学生对上机专题实践内容的掌握情况。目标分值=0.5*上机作业平均成绩专题设计（百分制）50专题设计任务：文献检索给定的某电液位置控制系统的性能分析研究现状，根据给定的某电液位置控制系统数学模型，基于Matlab/Simulink完成建模仿真分析。考核内容：1.建模方案，2.汇报表达，3.答辩表现，4报告规范，5文献综述能力目标分值=0.5*专题设计平均成绩（二）课程考核对课程目标的支撑教学内容考核内容考核方式支撑的课程目标第一单元建模与仿真的基本概念建模与仿真的基本概念测验，课堂表现课程目标1、3第二单元MATLAB基础2-1MATLAB运行环境。2-1基于MATLAB语言的数组、矩阵的生成运算。2-3基于MATLAB语言完成图形的基本处理方法2-4M语言设计规范及调用方法。测验，课堂表现，上机作业课程目标1、3第三单元MATLAB/Simulink基础3-1MATLAB编程和Simulink建模仿真的基本方法3-2MATLAB中求解器的概念及设置方法测验，课堂表现，上机作业课程目标1、2、3第四单元MATLAB/Simulink控制系统分析与设计4-1控制系统常用的数学模型及其建模仿真方法。4-2Simulink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。4-3PID控制的概念及基本使用。测验，课堂表现，上机作业，专题设计课程目标1、2、3第五单元MATLAB/Simulink机电系统分析与设计5-1四连杆机构的运动学建模与仿真方法。5-2二连杆机器手臂的动力学建模与仿真方法。测验，课堂表现，上机作业课程目标1、2、3上机内容一MATLAB基础上机（1）Matlab语言基础编程应用方法；（2）基于Matlab语言绘制方程曲线；（3）曲线的基础编辑保存。上机作业课程目标1、2、3上机内容二连续系统的模拟PID仿真（1）以二阶线性传递函数为被控对象的模拟PID控制；（2）Simulink的建模仿真方法。上机作业课程