控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)大綱

控制系統(tǒng)仿真課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程編號(hào)：201404137課程中文名稱：控制系統(tǒng)仿真課程英文名稱：Controlsystemsimulation課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程開(kāi)課專業(yè)：自動(dòng)化開(kāi)課學(xué)期：7總學(xué)時(shí)：32（其中理論24學(xué)時(shí)，上機(jī)8學(xué)時(shí)）總學(xué)分：2二、課程目標(biāo)本課程是自動(dòng)化等專業(yè)本科生的一門專業(yè)選修課。控制系統(tǒng)仿真是控制工程領(lǐng)域工程師必須熟練掌握的重要知識(shí)和技能，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)與研究的思維和開(kāi)發(fā)實(shí)施及協(xié)作創(chuàng)新能力，以解決實(shí)際問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生獲得綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問(wèn)題的方法。三、教學(xué)基本要求本課程是一門針對(duì)控制理論課程的實(shí)踐性應(yīng)用型非常強(qiáng)的課程，要求學(xué)生要理論聯(lián)系實(shí)際，在熟練掌握基本概念原理、基本方法和應(yīng)用后，重點(diǎn)應(yīng)放在與工程實(shí)際的結(jié)合應(yīng)用能力上，上機(jī)操作是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。授課安排上具有系統(tǒng)性又有方向性，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)仿真原理現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)；培養(yǎng)學(xué)生具備進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真的知識(shí)、能力和素質(zhì)，厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、重創(chuàng)新。1、了解控制系統(tǒng)仿真的基本概念、發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、應(yīng)用背景及發(fā)展前沿。2、具有應(yīng)用控制系統(tǒng)仿真知識(shí)的能力。3、能夠解決實(shí)際工程工作中控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)與研究問(wèn)題。4、具備研究思維、獨(dú)立研發(fā)實(shí)施和協(xié)作創(chuàng)新等基本素質(zhì)。5、具有閱讀中外專業(yè)文獻(xiàn)并撰寫科技論文能力。四、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配1緒論(2學(xué)時(shí))掌握控制系統(tǒng)仿真原理現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及應(yīng)用、常用的控制系統(tǒng)仿真方法，系統(tǒng)仿真的過(guò)程、步驟。2仿真軟件——MATLAB(1學(xué)時(shí))2.1MATLAB簡(jiǎn)介：MATLAB的交互方式，MATLAB工具箱簡(jiǎn)介2.2程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與繪圖功能：變量、常量與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；基本語(yǔ)句結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)運(yùn)算；MATLAB的流程結(jié)構(gòu)、函數(shù)編寫、調(diào)用與調(diào)試；繪圖功能3動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境——Simulink（1學(xué)時(shí)）3.1Simulink簡(jiǎn)介：建模模塊，輸入、輸出模塊及輸出顯示形式3.2建模過(guò)程：模型的構(gòu)造，子系統(tǒng)的建立，模型的封裝3.3仿真過(guò)程：仿真參數(shù)設(shè)定，數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)和可視4控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換（4學(xué)時(shí)）4.1數(shù)學(xué)模型的基本描述（2學(xué)時(shí)）：連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，離散時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4.2數(shù)學(xué)模型間的相互轉(zhuǎn)換（2學(xué)時(shí)）：數(shù)學(xué)模型之間的相互關(guān)系，基于MATLAB的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換5連續(xù)系統(tǒng)仿真算法（4學(xué)時(shí)）5.1數(shù)值積分仿真算法（2學(xué)時(shí)）：歐拉法、梯形法、龍格庫(kù)塔法，算法的實(shí)現(xiàn)及步長(zhǎng)選擇5.2離散相似法（2學(xué)時(shí)）：離散相似模型，基于結(jié)構(gòu)圖的仿真方法6采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真--數(shù)字化仿真方法（4學(xué)時(shí)）離散調(diào)節(jié)器模型及仿真方法，保持器的數(shù)學(xué)模型及離散化，連續(xù)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的離散化，采樣周期與仿真步長(zhǎng)的確定7基于MATLAB工具箱的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）7.1系統(tǒng)分析：基于MATLAB工具箱的控制系統(tǒng)頻域、時(shí)域、根軌跡和狀態(tài)空間分析7.2LTIViewer：LTIViewer瀏覽器7.3SISODesignTool：SISODesignTool，單變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)8控制系統(tǒng)模型的建立（4學(xué)時(shí)）8.1過(guò)渡過(guò)程法,包括脈沖響應(yīng)法和階躍響應(yīng)法；（1學(xué)時(shí)）8.2頻率響應(yīng)法和傅立葉分析法；（0.5學(xué)時(shí)）8.3相關(guān)技術(shù)和頻譜分析；（0.5學(xué)時(shí)）8.4最小二乘法辨識(shí)模型參數(shù)（2學(xué)時(shí)）要求：熟練掌握系統(tǒng)仿真的基本原理及方法、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、歐拉法、梯形法、龍格庫(kù)塔法，算法的實(shí)現(xiàn)及步長(zhǎng)選擇。五、教學(xué)方法及手段以課堂教學(xué)為主，使用多媒體課件授課；教師引導(dǎo)，學(xué)生利用課余時(shí)間查閱資料，通過(guò)課堂研討，進(jìn)行研究方案、步驟設(shè)計(jì)及編程上機(jī)調(diào)試，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析和小論文形式，使學(xué)生：1、掌握文獻(xiàn)檢索、資料查詢及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法；了解控制系統(tǒng)仿真的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)；2、培養(yǎng)具有解決問(wèn)題、實(shí)施工程實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)性、研究創(chuàng)新性的能力。六、實(shí)驗(yàn)（或）上機(jī)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一：基本數(shù)值積分方法仿真（2學(xué)時(shí)）必做求解微分方程。采用歐拉法、梯形法、四階龍格-庫(kù)塔法等基本數(shù)值積分方法進(jìn)行仿真，并運(yùn)用Matlab所提供的函數(shù)、直接求解法求解，分析對(duì)比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)二：離散相似法仿真（2學(xué)時(shí)）必做針對(duì)某一控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，采用零階或一階保持器，運(yùn)用離散相似法進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)三：控制系統(tǒng)分析（2學(xué)時(shí)）必做掌握使用matlab進(jìn)行系統(tǒng)頻域.、根軌跡針、能控、能觀、穩(wěn)定性分析。實(shí)驗(yàn)四：控制系統(tǒng)Simulink仿真（2學(xué)時(shí)）必做學(xué)習(xí)使用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真的方法，設(shè)計(jì)PID子系統(tǒng)，典型控制系統(tǒng)的Simulink仿真。以下實(shí)驗(yàn)任選其一：實(shí)驗(yàn)五：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（2學(xué)時(shí)）使用Bode圖，狀態(tài)空間極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測(cè)器控制進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，編寫程序并上機(jī)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)六：水箱液位控制系統(tǒng)仿真研究（2學(xué)時(shí)）針對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)建模，并采用Matlab（Simulink）仿真。實(shí)驗(yàn)七：水箱溫度控制系統(tǒng)仿真研究。針對(duì)水箱溫度控制系統(tǒng)建模，并采用Matlab（Simulink）仿真。實(shí)驗(yàn)八：半物理仿真。（2學(xué)時(shí)）針對(duì)一階倒立擺系統(tǒng)、或二階倒立擺系統(tǒng)、或球桿系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制半物理仿真。實(shí)驗(yàn)九：利用最小二乘法辨識(shí)模型參數(shù)（2學(xué)時(shí)）針對(duì)某一控制系統(tǒng)模型，辨識(shí)其模型參數(shù)，并且仿真。實(shí)驗(yàn)十：研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）學(xué)生自主命題，針對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并實(shí)施。七、前續(xù)課程、后續(xù)課程前續(xù)課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、C語(yǔ)言、自動(dòng)控制理論后續(xù)課程：畢業(yè)設(shè)計(jì)。八、參考教材及學(xué)習(xí)資源[1]教材：管鳳旭,姜倩.控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,2015.3[2]趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐(第3版).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2016.10[3]張裊娜,馮雷.控制系統(tǒng)仿真.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.1[4]趙雪巖,李衛(wèi)華等.系統(tǒng)建模與仿真.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2015.5九、考核方式考核方式：課堂研討10％，小論文40％，實(shí)驗(yàn)40％，平時(shí)成績(jī)10％教學(xué)基本要求項(xiàng)考核形式占總成績(jī)的比例了解