《控制系统设计与仿真》教学大纲

《控制系统设计与仿真》课程教学大纲Control SystemDesign课程代课程英文名A0803Z59码Simulation实验/实践学学分2总学时32理论学时16时16《自动控制理论》、《现代控制课程类别专业教育课课程性质选修先修课程理论》适用专业理工科专业（非计算机专业）开课学院机电工程学院一课程的地位与任务《控制系统设计与仿真》是自动化专业的专业选修课程，教学目的是培养学生在理解控制系统计算机仿真与计算机辅助设计的基本原理和方法基础上，借助相关的工程仿真软件,结合具体控制系统的目标需求，完成控制系统的参数设计、建模及系统控制器设计与验证通过课程学习，使学生理解控制系统CAD和数字仿真实现的基本概念，了解控制系统建模方法,熟练掌握控制系统的五种常用模型及转换命令,掌握两种常用数值计算的编程方法（欧拉法和龙格库塔法）、控制系统的时频域分析方法、面向系统结构图的控制系统设计方法、PID参数优化设计方法在掌握单输入/单输出时频域系统分析与实现方法基础上，了解多输入/多输出时频域系统分析与实现的方法，为今后学习线性系统理论、最优控制理论等课程奠定基础学生通过本课程的学习，能利用常用的工程仿真软件，针对几种工业控制领域典型的单输入/单输出、多输入/多输出、反馈、闭环控制系统，根据控制系统的指标要求，具备初步的时频域系统建模、数值解算、参数优化、系统仿真设计与验证能力

二、课程目标以及与毕业要求的支撑矩阵课程目标分解

（1）基础知识理解仿真的基本概念、控制系统实现的基本概念、控制系统CAD的基本概念；掌握控制系统的五种常用模型，掌握控制系统的机理建模与统计建模方法；掌握控制系统的状态空间描述及传递函数描述方法；掌握常微分方程的两种数值解法，掌握控制系统的常用结构与拓扑图描述方法；掌握•控制系统的时域及频域特性分析方法；掌握控制系统参数优化的方法了解仿真技术在工程领域的应用及工程仿真软件的应用案例，了解面向复杂结构的结构图描述和数字仿真方法（课程目标1）2编程基础掌握五种控制系统数学模型的转换方法，数据拟合的基本命令；掌握常微分方程数值解法欧拉法、二阶及四阶的龙格库塔法的基本编程方法，利用Matlab软件，能够编写欧拉法和龙格库塔法的数值算法程序课程目标23综合验证与分析:针对自动化领域复杂控制对象如基于Simulink的倒立摆系统球车系统、双摆系统、旋转倒立摆系统等、基于Adams的球棒控制系统、基于时间最优控制的起重机防摆系统等，给出设计与验证的任务，在学生相关查阅资料基础上，要求在一定时间内完成相关的控制系统设计与仿真验证工作课程目标34分析与优化设计掌握状态空间描述模型的微分方程法和Simulink求解方法；掌握面向结构图描述的简单闭环系统仿真方法；掌握典型控制系统能控能观性与稳定性的判别方法及编程命令；掌握控制系统的频域特性分析方法，进行根轨迹、伯德图描述，分析系统的稳定性；掌握单输入单输出控制系统PID参数优化设计方法课程目标4表1课程目标与相关毕业要求的对应关系毕业要求支撑程度、、H ML课程目标1-12-44-45-4课程目标1H课程目标2M课程目标3L课程目标4H三课程主要内容与基本要求表2主要课程内容知识点主要内容基本要求对应的课程目标

①系统仿真

①系统仿真的概念L1课程目标1概述

②系统仿真的步骤及应用L1课程目标1

②控制系统

①控制系统五种数学模型的转换L2课程目标2的数学描述

②控制系统建模的基本方法L2课程目标⑴3

③常微分方

①控制系统的实现问题L2课程目标13程数值解法

②欧拉法L2课程目标2

③龙格库塔法L2课程目标2

④控制系统

①MATLAB与SIMULINK基础L1课程目标2数字仿真的

②控制系统的结构及拓扑描述L2课程目标1实现

③面向结构图的数字仿真L2课程目标4

⑤控制系统

①控制系统频域分析方法L2课程目标4CAD

②系统优化设计L2课程目标4基本要求L1-理解，L2-掌握

四、课程教学学时安排表3课程学时安排理论学时知识点章节教学内容课时数对应的课程目标

①绪论2学时系统、模型与数字仿真的概念1课程目标1控制系统CAD与数字仿真的应用1课程目标1

②控制系统的数控制系统的五种数学模型及转换课程目标21学描述控制系统建模方法1课程目标⑴、⑶2学时

③常微分方程数控制系统的实现问题1课程目标⑴、⑶值解法4学时欧拉法的原理；编程方法课程目标21二阶、四阶龙格库塔法原理；编程方法2课程目标2MATLAB与SIMULINK简介课程目标21

④控制系统数字控制系统的结构及其拓扑描述课程目标11仿真的实现4学面向简单复杂闭环系统结构图的数字仿真实时2课程目标

3、4现方法经典控制理论CAD与系统设计1课程目标4

⑤控制系统系统优化设计2课程目标4CAD4学时现代控制理论CAD与系统设计1课程目标4共计16理论学时

五、实践环节及基本要求表4课程学时安排实验学时实验实验课程目标序号实验项目学时基本要求性质类别掌握微分方程、状态方程、传递函数、五种数学模型的转零极点增益、部分分式描述及转换；课程目标12验证必做换了解常用数据拟合方法2掌握欧拉法、二阶和四阶龙格库塔法课程目标2微分方程数值解2验证必做的编程解算方法2基于SIMULINK掌握使用SIMULINK、控制工具箱课程目标3的控制系统时域分2及微分方程法求解系统的输入输出响验证必做2析应的仿真方法面向系统结构图的掌握面向结构图描述的典型闭环系统课程目标42验证必做仿真验证仿真求解方法4掌握频率分析法的二种方法，即Bode控制系统的频域特课程目标52图、Nyquist曲线、Nichols图分析方验证必做性分析4法，系统稳定性分析PID控制系统参数掌握系统优化设计的PID参数调节方课程目标62验证必做优化设计法4针对典型电路系统，利用微分方程法课程目标7电路系统仿真2和Simulink法进行系统分析和验证验证必做3针对倒立摆系统，利用微分方程法和课程目标8双摆系统仿真2Simulink法进行系统分析和验证验证必做3共计16个实验学时六达成目标的途径和措施《控制系统设计与仿真》课程以课堂教学为主，结合实验教学，借助校精品课程网站与学生进行交流互动通过“控制系统设计与仿真”课程中的实践环节，提高自动化专业学生针对工程实践问题具备初步的系统建模、数值计算、设计能力和软件编程能力⑴对理论课的内容，以巩固基础知识自动控制理论和培养基本编程技能MATLAB语言程序设计的基本思想、方法和概念为起点，以系统设计与仿真为主线，围绕“系统建模一模型转换一数值解算一结构分析与优化设计一系统验证”的主线进行模块化教学，加强学生的控制系统计算机辅助分析与设计的基本技能2对实践课的内容，以理论的模块化教学内容为基础，进行模型转换一数值解算一时域和频域特性分析一系统结构设计一系统优化设计一验证分析的仿真实践内容设计，重点考核学生的编程能力，分析和解决控制系统中的实际问题的能力七考核方法及成绩评定表5考核方法及成绩评定表考核形式考核内容占比评定标准考核课堂教学各知识点的课堂接受程度、听课中国计量大学学生课程平时作业成绩10%效果平时成绩考核细则考核仿真技术各知识点的基本概念、基本编程试卷参考答案和评分标期末考试成绩方法、及基本应用题型为填空、简答、编程60%准题、分析题等考核仿真方法在控制系统时域和频域分析中实验指导书实验成绩20%的基本应用，以实验报告形式以到课率、课堂互动回答问题等形式，检验学中国计量大学学生课程课堂表现成绩10%生学习程度平时成绩考核细则表6课程目标考核环节和达成标准教学划课程目标考核环节合格标准节平时成绩（考勤、作业）A期末考试成绩Cl课程目标1讲授

0.6目标达成度=

0.6x—+

0.2AXCl A0o平时成绩（考勤、作业）A讲授与课程目标2实验考核B

0.6实验期末考试成绩C2目标达成度=，

0.6x+

0.2xa+

0.2x-^（）C2A B平时成绩（考勤、作业）A实验考核B讲授与期末考试成绩C3课程目标

30.6实验目标达成度=O.6x0+O.2xA+O.2xgC3°A°B°平时成绩（考勤、作业）A实验考核B讲授与期末考试成绩C4课程目标

40.6实验C4A R目标达成度=

0.6x.+

0.2xa+

0.2xE（）（）（）C4A B

八、推荐教材与主要参考书

（1）推荐教材张晓华主编《控制系统数字仿真与CAD》（第三版），机械工业出版社，2010年

（2）推荐参考书

①楼顺天主编，《基于MATLAB的系统分析与设计——控制系统》（第二版），西安电子科技大学出版社，1999年

②薛定宇主编，《控制系统计算机辅助设计》，清华大学出版社，2006年。