控制系統仿真課程教學大綱一、課程基本信息課程編號：201404137課程中文名稱：控制系統仿真課程英文名稱：Controlsystemsimulation課程性質：專業選修課程開課專業：自動化開課學期：7總學時：32（其中理論24學時，上機8學時）總學分：2二、課程目標本課程是自動化等專業本科生的一門專業選修課?？刂葡到y仿真是控制工程領域工程師必須熟練掌握的重要知識和技能，培養學生進行控制系統計算機輔助分析、設計與研究的思維和開發實施及協作創新能力，以解決實際問題為驅動，激發學生的學習興趣，通過實驗設計，使學生獲得綜合運用專業知識和計算機技術解決問題的方法。三、教學基本要求本課程是一門針對控制理論課程的實踐性應用型非常強的課程，要求學生要理論聯系實際，在熟練掌握基本概念原理、基本方法和應用后，重點應放在與工程實際的結合應用能力上，上機操作是本課程重要的教學環節。授課安排上具有系統性又有方向性，使學生掌握控制系統仿真原理現狀、發展趨勢；培養學生具備進行控制系統仿真的知識、能力和素質，厚基礎、強能力、重創新。1、了解控制系統仿真的基本概念、發展歷史、現狀、應用背景及發展前沿。2、具有應用控制系統仿真知識的能力。3、能夠解決實際工程工作中控制系統計算機輔助分析、設計與研究問題。4、具備研究思維、獨立研發實施和協作創新等基本素質。5、具有閱讀中外專業文獻并撰寫科技論文能力。四、教學內容與學時分配1緒論(2學時)掌握控制系統仿真原理現狀、發展趨勢以及應用、常用的控制系統仿真方法，系統仿真的過程、步驟。2仿真軟件——MATLAB(1學時)2.1MATLAB簡介：MATLAB的交互方式，MATLAB工具箱簡介2.2程序設計基礎與繪圖功能：變量、常量與數據結構；基本語句結構與數學運算；MATLAB的流程結構、函數編寫、調用與調試；繪圖功能3動態仿真集成環境——Simulink（1學時）3.1Simulink簡介：建模模塊，輸入、輸出模塊及輸出顯示形式3.2建模過程：模型的構造，子系統的建立，模型的封裝3.3仿真過程：仿真參數設定，數據的分析、存儲和可視4控制系統的數學模型及其轉換（4學時）4.1數學模型的基本描述（2學時）：連續時間系統的數學模型，離散時間系統的數學模型4.2數學模型間的相互轉換（2學時）：數學模型之間的相互關系，基于MATLAB的數學模型轉換5連續系統仿真算法（4學時）5.1數值積分仿真算法（2學時）：歐拉法、梯形法、龍格庫塔法，算法的實現及步長選擇5.2離散相似法（2學時）：離散相似模型，基于結構圖的仿真方法6采樣控制系統的數字仿真--數字化仿真方法（4學時）離散調節器模型及仿真方法，保持器的數學模型及離散化，連續被控對象數學模型的離散化，采樣周期與仿真步長的確定7基于MATLAB工具箱的控制系統分析與設計（2學時）7.1系統分析：基于MATLAB工具箱的控制系統頻域、時域、根軌跡和狀態空間分析7.2LTIViewer：LTIViewer瀏覽器7.3SISODesignTool：SISODesignTool，單變量系統設計8控制系統模型的建立（4學時）8.1過渡過程法,包括脈沖響應法和階躍響應法；（1學時）8.2頻率響應法和傅立葉分析法；（0.5學時）8.3相關技術和頻譜分析；（0.5學時）8.4最小二乘法辨識模型參數（2學時）要求：熟練掌握系統仿真的基本原理及方法、連續時間系統的數學模型、歐拉法、梯形法、龍格庫塔法，算法的實現及步長選擇。五、教學方法及手段以課堂教學為主，使用多媒體課件授課；教師引導，學生利用課余時間查閱資料，通過課堂研討，進行研究方案、步驟設計及編程上機調試，以實驗數據及分析和小論文形式，使學生：1、掌握文獻檢索、資料查詢及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；了解控制系統仿真的前沿發展現狀和趨勢；2、培養具有解決問題、實施工程實驗的綜合設計性、研究創新性的能力。六、實驗（或）上機內容實驗一：基本數值積分方法仿真（2學時）必做求解微分方程。采用歐拉法、梯形法、四階龍格-庫塔法等基本數值積分方法進行仿真，并運用Matlab所提供的函數、直接求解法求解，分析對比結果。實驗二：離散相似法仿真（2學時）必做針對某一控制系統的狀態方程，采用零階或一階保持器，運用離散相似法進行仿真。實驗三：控制系統分析（2學時）必做掌握使用matlab進行系統頻域.、根軌跡針、能控、能觀、穩定性分析。實驗四：控制系統Simulink仿真（2學時）必做學習使用Simulink進行系統仿真的方法，設計PID子系統，典型控制系統的Simulink仿真。以下實驗任選其一：實驗五：控制系統設計。（2學時）使用Bode圖，狀態空間極點配置和狀態觀測器控制進行控制系統設計，編寫程序并上機調試。實驗六：水箱液位控制系統仿真研究（2學時）針對水箱液位控制系統建模，并采用Matlab（Simulink）仿真。實驗七：水箱溫度控制系統仿真研究。針對水箱溫度控制系統建模，并采用Matlab（Simulink）仿真。實驗八：半物理仿真。（2學時）針對一階倒立擺系統、或二階倒立擺系統、或球桿系統，進行實時控制半物理仿真。實驗九：利用最小二乘法辨識模型參數（2學時）針對某一控制系統模型，辨識其模型參數，并且仿真。實驗十：研究創新型實驗（2學時）學生自主命題，針對一個控制系統進行綜合設計實驗并實施。七、前續課程、后續課程前續課程：高等數學、線性代數、概率論與數理統計、C語言、自動控制理論后續課程：畢業設計。八、參考教材及學習資源[1]教材：管鳳旭,姜倩.控制系統仿真實驗技術.北京:清華大學出版社,2015.3[2]趙廣元.MATLAB與控制系統仿真實踐(第3版).北京:北京航空航天大學出版社,2016.10[3]張裊娜,馮雷.控制系統仿真.北京:機械工業出版社,2014.1[4]趙雪巖,李衛華等.系統建模與仿真.北京:國防工業出版社,2015.5九、考核方式考核方式：課堂研討10％，小論文40％，實驗40％，平時成績10％教學基本要求項考核形式占總成績的比例了解