《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》教學(xué)大綱

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05156141課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時（理論16學(xué)時，實驗16學(xué)時）先修課程：理論力學(xué)、材料力學(xué)、電工與電子技術(shù)、機械設(shè)計等后續(xù)課程：現(xiàn)代設(shè)計方法適用專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)開課單位：電氣工程與自動化學(xué)院一、課程說明《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)選修課。本課程主要傳授控制系統(tǒng)仿真的基本原理、方法和特點，以及仿真軟件MATLAB（含Simulink）的典型仿真程序，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課程及以后從事技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。本課程注重基本理論知識的深入學(xué)習(xí)，強調(diào)培養(yǎng)運用基礎(chǔ)理論知識解決生產(chǎn)實際中問題的能力，兼顧新技術(shù)、新工藝及其發(fā)展方向的介紹，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強能力”的人才。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握MATLAB/SIMULINK仿真的基本原理，控制系統(tǒng)各種分析方法的仿真技術(shù)，及控制系統(tǒng)校正和綜合設(shè)計的仿真技術(shù)。課程目標(biāo)2：基本具備科學(xué)的思維方法、創(chuàng)新精神和較高的專業(yè)技能；具有利用MATLAB/SIMULINK軟件在控制工程問題方面進行系統(tǒng)表達、建立模型、分析求解、論證優(yōu)化的初步能力。課程目標(biāo)3：具有健康的身心、良好的人文素養(yǎng)和團隊合作精神、有效的溝通與表達能力及工程項目管理能力，能夠勝任團隊工作中的相應(yīng)角色。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)目標(biāo)對機械電子工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。

表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)支撐強度2.問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。2.1能夠應(yīng)用工程科學(xué)的基本原理，識別和判斷復(fù)雜機械工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)；2.2能基于機械工程基本原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達復(fù)雜機械工程問題。課程目標(biāo)1：掌握MATLAB/SIMULINK仿真的基本原理，控制系統(tǒng)各種分析方法的仿真技術(shù)，及控制系統(tǒng)校正和綜合設(shè)計的仿真技術(shù)。課程目標(biāo)2：基本具備科學(xué)的思維方法、創(chuàng)新精神和較高的專業(yè)技能；具有利用MATLAB/SIMULINK軟件在控制工程問題方面進行系統(tǒng)表達、建立模型、分析求解、論證優(yōu)化的初步能力。M4.研究：能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。4.1能夠在對機械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題研究的基礎(chǔ)上，明確實驗?zāi)康?，掌握實驗方案設(shè)計的基本原理及方法；4.2能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對具體機械工程中的復(fù)雜工程問題設(shè)計實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行采集、分析與處理。課程目標(biāo)1：掌握MATLAB/SIMULINK仿真的基本原理，控制系統(tǒng)各種分析方法的仿真技術(shù)，及控制系統(tǒng)校正和綜合設(shè)計的仿真技術(shù)。課程目標(biāo)2：基本具備科學(xué)的思維方法、創(chuàng)新精神和較高的專業(yè)技能；具有利用MATLAB/SIMULINK軟件在控制工程問題方面進行系統(tǒng)表達、建立模型、分析求解、論證優(yōu)化的初步能力。M5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對機械工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。5.1掌握解決機械工程中的復(fù)雜工程問題所需的現(xiàn)代信息技術(shù)工具和工程工具的使用原理和方法；5.2針對具體的機械工程中的復(fù)雜工程問題，能夠開發(fā)、選擇和使用合適的現(xiàn)代信息技術(shù)工具和工程工具對問題進行模擬分析和預(yù)測。課程目標(biāo)2：基本具備科學(xué)的思維方法、創(chuàng)新精神和較高的專業(yè)技能；具有利用MATLAB/SIMULINK軟件在控制工程問題方面進行系統(tǒng)表達、建立模型、分析求解、論證優(yōu)化的初步能力。課程目標(biāo)3：具有健康的身心、良好的人文素養(yǎng)和團隊合作精神、有效的溝通與表達能力及工程項目管理能力，能夠勝任團隊工作中的相應(yīng)角色。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.自動控制系統(tǒng)與仿真概述1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念及分類；1.2控制系統(tǒng)仿真的基本概念；1.3MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真。教學(xué)要求：理解自動控制系統(tǒng)的基本概念及分類；掌握控制系統(tǒng)仿真的基本概念；掌握MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真過程。重點：自動控制系統(tǒng)的基本概念、分類以及控制系統(tǒng)的仿真。難點：MATLAB在控制系統(tǒng)中的仿真過程。212.MATLAB計算基礎(chǔ)2.1MATLAB的主要功能特點及基本操作；2.2MATLAB的控制語句、繪圖功能、數(shù)值運算、符號運算；2.3MATLAB的文件I/O、圖形界面。教學(xué)要求：理解并掌握MATLAB常用的控制語句，數(shù)值運算、符號運算的計算方法及過程；理解并掌握MATLAB常用圖形的繪圖命令、畫法以及修改保存。重點：MATLAB常用的控制語句數(shù)值運算、符號運算。難點：MATLAB常用的繪圖命令以及常用圖形畫法、修改、保存等。2413.動態(tài)仿真集成環(huán)境——Simulink3.1Simulink仿真概述；3.2Simulink仿真模塊庫簡介；3.3Simulink模型的構(gòu)造；3.4連續(xù)系統(tǒng)及數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)字仿真。教學(xué)要求：理解掌握Simulink的窗口功能；重點掌握控制系統(tǒng)模型的建立及仿真。重點：模型的構(gòu)造以及子系統(tǒng)的創(chuàng)建。難點：連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真。4214.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換4.1線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本描述方法；4.2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的相互轉(zhuǎn)換；4.3系統(tǒng)模型的連接；4.4典型系統(tǒng)的生成以及系統(tǒng)的離散化、系統(tǒng)化。教學(xué)要求：理解與熟練掌握線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本描述方法；重點掌握線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的相互轉(zhuǎn)換。重點：線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本描述方法：傳遞函數(shù)、零極點增益形式、部分分式形式、狀態(tài)空間形式。難點：系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的相互轉(zhuǎn)換。221、25.控制系統(tǒng)的計算機輔助分析5.1控制系統(tǒng)的時域分析；5.2控制系統(tǒng)的頻域分析。教學(xué)要求：理解并掌握控制系統(tǒng)的時域分析及頻域分析；重點理解掌握控制系統(tǒng)的時域分析及頻域分析之間的關(guān)系。重點:控制系統(tǒng)的時域分析及頻域分析；難點:控制系統(tǒng)的時域分析及頻域分析之間的關(guān)系。441、2、36.控制系統(tǒng)校正與綜合6.1控制系統(tǒng)校正與綜合基礎(chǔ)；6.2PID控制器設(shè)計及MATLAB/Simulink應(yīng)用；教學(xué)要求：理解并掌握控制系統(tǒng)的校正方法；重點掌握PID控制器設(shè)計及在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點:控制系統(tǒng)校正的方法。難點:PID控制器設(shè)計及在應(yīng)用。241、2、3合計16162.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.MATLAB的基本操作和基本運算實驗內(nèi)容：練習(xí)MATLAB命令的基本操作；練習(xí)m文件的基本操作；MATLAB數(shù)值的基本運算等。實驗要求：學(xué)習(xí)了解MATLAB語言環(huán)境。212.MATLAB圖形的繪制實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)MATLAB的各種二維、三維繪圖；學(xué)習(xí)MATLAB的繪圖修飾（多種繪圖，圖形注釋，繪圖顏色，色圖矩陣）；學(xué)習(xí)圖形對象和句柄的基本知識及基本句柄繪圖操作。213.Simulink仿真環(huán)境及模型的建立實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)在MATLAB命令窗口建立系統(tǒng)模型的方法；學(xué)習(xí)如何用SIMULINK仿真工具建模。214.控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)在MATLAB命令窗口建立系統(tǒng)模型的方法；學(xué)習(xí)如何在三種模型之間相互轉(zhuǎn)換21、25.控制系統(tǒng)的時域分析法實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)掌握控制系統(tǒng)的時域穩(wěn)定判據(jù)；學(xué)習(xí)MATLAB/Simulink在時域分析的實現(xiàn)。掌握控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)及性能指標(biāo)。21、2、36.控制系統(tǒng)的頻域分析法實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；掌握控制系統(tǒng)的頻域穩(wěn)定判據(jù)；學(xué)習(xí)MATLAB/Simulink在頻域分析的實現(xiàn)。21、2、37.PID控制器的設(shè)計實驗內(nèi)容：了解PID控制器中P、I、D三種基本控制作用對控制系統(tǒng)性能的影響；進行PID控制器參數(shù)工程整定技能訓(xùn)練。21、2、38.控制系統(tǒng)的校正分析實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的校正方法，掌握基于頻率法的超前滯后校正，進一步學(xué)習(xí)最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計。21、2、3合計16五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授和軟件演示為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。學(xué)生比較全面地理解控制系統(tǒng)仿真的基本原理、方法和特點，在掌握控制系統(tǒng)仿真技術(shù)的基本原理，掌握將控制系統(tǒng)理論、計算方法與計算機技術(shù)相結(jié)合的知識和技能，具備運用控制系統(tǒng)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)進行分析、輔助設(shè)計與仿真的能力。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生控制系統(tǒng)仿真的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。六、課程資源1.推薦教材：（1）王正林.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真.電子工業(yè)出版社.2020.2.參考書：（1）李國勇.計算機仿真技術(shù)與CAD（第4版）[M].電子工業(yè)出版社.2016.1.（2）徐保國.MATLAB/Simulink實用教程[M].清華大學(xué)出版社.2017.10.（3）李獻.MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真[M].清華大學(xué)出版社.2017.8.（4）王晶.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2018.2.（5）楊辰光.機器人仿真與編程技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社.2018.2.3.期刊：（1）肖艷軍等.基于模糊PID的羅茨動力機控制系統(tǒng)研究與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2018，30（6）．（2）張業(yè)明等.基于Matlab的恒溫控制系統(tǒng)研究[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（3）．（3）陳奇方等.基于Matlab/Simulink的分布式電源控制方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（4）．（4）姚偉等.基于Matlab/Simulink的電力系統(tǒng)仿真工具箱的開發(fā)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（6）．（5）劉金頌等.Matlab軟件在自動控制原理實驗中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31（6）．（6）徐建國.基于Matlab7.0和組態(tài)王的先進過程控制算法實測平臺[J].儀器與儀表學(xué)報，2006，27（6）．（7）ComputerVisionandImageUnderstanding[J].4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）MATLAB中文論壇.訪問路徑/．（2）Mathworks./products/simulink.html．七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)8（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?32實驗16（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√853作業(yè)16（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?64期末考核60（1）以期末大作業(yè)形式進行考核。（2）主要考核MATLAB基本運算、SIMULINK基本建模、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)校正與綜合等內(nèi)容?！獭獭?52510合計：100分423919八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、平時作業(yè)、期末大作業(yè)等方式對學(xué)生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┐笞鳂I(yè)成績和過程性考核成績組成。其中：期末大作業(yè)為100分（權(quán)重60%），作業(yè)評價、課堂討論、課內(nèi)實驗等過程性評價成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性評價和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)20筆記完整，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%。筆記完整，認真參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于80%。筆記不完整，偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于70%。上課不認真，上課不記筆記，偶爾參與教學(xué)活動。上課不認真，上課不記筆記，不參與教學(xué)活動。作業(yè)40作業(yè)完整，思路清晰，準(zhǔn)確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準(zhǔn)確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)