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1、控制系统仿真课程标准课程代码：课程名称： 控制系统仿真课程类型：必修课程属类：专业核心课程 课程学分： 4分计划课时：72学时适用专业： 机电一体化（现控方向）制订时间：2012年2月职业资格： 开课部门： 机电工程系制 订： 控制系统仿真课程组批 准 人： 课程负责人： 一、课程概述（一）课程性质系统仿真是研究、设计、分析各种复杂系统的重要工具，广泛应用于国防、军事、能源、交通等工程与非工程领域，特别是近几十年来，随着计算机技术的发展，在各类应用需求的拉动和相关学科技术的推动下，系统仿真技术已经迅速发展成为一门具有通用性、战略性和跨学科的综合性技术，并与科学计算一起，成为继理论研究、实验研究
2、之后第3种认识和改造客观世界的重要手段。目前，系统仿真课程已经成为系统工程、自动化等多个学科专业的一门主要课程。 本课程侧重于系统仿真，尤其是控制系统仿真的基本原理与基本理论及其实现和应用的介绍，为了尽量减少与其他课程或教材内容重复，对可以在其他课程学习的知识如自动控制理论、程序设计基础知识等不做过多讲述。本课程注意理论和实践相结合，所有例子均采用MATLAB语言及其基础的函数来实现和验证相关理论方法，以便于学生理解和实践，并方便以图形方式直观表示及与MATLAB的专用仿真库函数实现的结果进行比较，学生可直接动手在MATLAB集成环境中运行实践。本课程是高等院校自动控制、电子工程、通信等电子信
3、息类专业、高职机电一体化专业现控方向的专业学习领域必修课程，是校企合作开发的基于工作过程的实验（训）课，单独设置实践环节的课程。（二）课程定位本课程力求理论与工程实际相结合，使学生不仅能掌握数字仿真的基本原理，而且能实际应用仿真技术进行控制系统的设计、分析和研究。一方面，系统地介绍控制系统设计与分析过程中所涉及的仿真理论以及仿真方法。首先分析系统理论、系统辨识与系统仿真三者的关系，初步介绍了仿真的过程及仿真技术的应用，使学生对仿真技术有一个全面的认识；然后分别介绍各种仿真理论，包括连续系统的数字仿真、采样控制系统的数字仿真、数字控制器控制规律的实现以及实时仿真、控制系统的参数最优化技术。另一方
4、面，从仿真技术的理论分析入手，以工程应用为目标，通过一些工程实例介绍仿真技术的应用，介绍数字仿真技术的最新发展与应用以及matlab仿真软件的使用方法和先进的可视化数字仿真技术的基本原理。通过本课程的学习，学生能加深对控制理论的理解，并具备利用仿真技术开发控制系统的初步能力。前导课程：计算机文化基础、自动控制原理、程序设计（三）课程设计思路1、课程设计的基本理念（1）以培养综合职业能力为目标以控制系统工作过程为主线、以工作实践为起点，让学生在职业行动中获取知识，锻炼专业技能，通过完成系列工作任务来培养学生的专业能力、方法能力和社会能力，进一步培养综合职业能力。（2）校企合作基于工作过程开发课程
5、通过教师到企业调研，了解企业的生产工作流程，掌握企业对知识的需求，与企业技术人员共同开发课程，以企业真实工作任务为载体来设计学习情境，遵循由简单到复杂的原则确定教学项目，使学生在 “真实”的职业情境中、完成任务的过程中培养职业能力。（3）学习过程即为工作过程，理实一体采用行动导向教学,教师通过制定工作任务书进行具体内容设定，学生自己通过资讯、 决策、计划、实施、检查、评价等环节真正实现做中学、学中做，教师只是针对性的讲授、示范、引导。2、课程设计思路由专业教师、企业兼职教师组成校企联合课程开发团队，并聘请机电行业专家和职业教育专家组建专业建设指导委员会，通过企业调研、毕业生追踪回访并召开实践专
6、家访谈会，课程开发团队与企业专家一起对机电一体化专业所涵盖的岗位群进行工作任务和职业能力分析，确定了典型工作任务，结合国家职业技能标准要求，根据从新手到专家职业成长的规律排序，将典型工作任务归类并综合为岗位行动领域，按照教学法通过知识与能力重构再转化为学习领域的课程，进一步形成了机电一体化技术专业人才培养方案。本课程按照由易到难、简单到复杂构建了二个子领域模块：控制系统的仿真知识，matlab的编程知识。又进一步进行了多个学习情景的开发，参照国家职业标准，制定本课程能力标准，设计教学单元，同时开发教师手册、学生手册、学习工作页、校本教材等教学资源，完成本课程的整体教学内容和方法的设计。课程实施
7、中不同的学习情境放在不同的地点，采用“三级螺旋递进法”即理论实践一体教学校内生产性实训校外实训基地实习，保证课程培养的职业素质和职业技能与现场对接。学习情境在校内实训室和实训车间分阶段进行，在学习进程最后“提高与进阶”阶段时安排在校外实训基地，由兼职教师指导顶岗实习。学校内的教学采用串行加并行的安排方式，小项目教学利用6节或4节课连排，大型项目教学整周安排实施，有利于完整工作过程的完成，有利于教学资源的充分利用。考核评价主要体现在评价主体、评价内容和标准、评价方式三个方面，实现多元化、开放化。评价主体不仅是教师，还有企业和学生。评价内容和标准立足社会需求，做到课程标准与职业资格标准的接轨，实现
8、课程能力标准与学生职业生涯发展的协调。二、课程目标（一）课程工作任务目标本课程的总体目标是使学生掌握控制系统的基本知识和matlab软件的基本技能，初步形成解决生产现场实际问题的应用能力；培养学生的思维能力和科学精神，培养学生学习新技术的能力；提高学生的综合素质，培养创新意识。本课程从实际工程应用和高职教学需要，培养学生能够使用计算机技术对实际控制系统进行仿真，并具备对各种复杂控制系统设计、调试和排除故障的基本能力，使学生了解控制系统在工业自动化领域的发展动态和趋势。工作任务目标如下：l 按设计图纸要求，了解控制系统的工作原理、结构、工作过程。l 学习者在教师的指导下理解控制系统，参阅各个岗位
9、的相关资料，制定合理、可行、高效的控制系统仿真方案。l 学习者在课程规定的时间内完成控制系统的分析、仿真、排障等任务，作业时标准规范。对已经完成的任务进行记录存档，自觉维护安全、健康的工作环境。在知识技能方面：l 熟悉常见控制系统的工作原理、结构、用途及工作过程，达到能正确使用和选用的目的；l 掌握控制系统的基本理论，具有一般控制系统的独立分析能力；l 掌握matlab的基本原理及编程方法；l 初步具备通过matlab软件仿真控制系统的基本能力。在过程与方法方面：l 通过理论实践一体化课堂学习，使学生获得较强的实践动手能力，使学生具备必要的基本知识，具有一定的查阅图书资料进行自学、分析问题、提
10、出问题的能力。l 通过该课程各项实践技能的训练，使学生经历基本的工程技术工作过程，学会使用相关工具从事生产实践，形成尊重科学、实事求是、与时俱进、服务未来的科学态度。l 通过对控制系统的认识和深刻领会，以及教学实训过程中创新方法的训练，培养学生独立分析问题、解决问题和技术创新的能力，使学生养成良好的思维习惯，掌握基本的思考与设计的方法，在未来的工作中敢于创新、善于创新。l 在技能训练中，注意培养爱护工具和设备、安全文明生产的好习惯。在情感态度与价值观方面：l 对从事控制系统设计工作，充满热情。l 有较强的求知欲，乐于、善于使用所学仿真技术解决生产实际问题。具有克服困难的信心和决心，从战胜困难、
11、实现目标、完善成果中体验喜悦。l 具有实事求是的科学态度，乐于通过亲历实践实现，检验、判断各种技术问题。l 在工作实践中，有与他人合作的团队精神，敢于提出与别人不同的见解，也勇于放弃或修正自己的错误观点。上述三个层面的目标相互渗透、有机联系，共同构成控制系统仿真课程的培养目标。在具体的教学活动中，要引导学生在应用计算机仿真技术的过程中，实现知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等不同层面职业素养的综合提升和协调发展。（二）职业能力目标1、专业能力目标l 熟悉相关国家标准和行业规范；l 熟悉一般工业中使用的控制系统；l 规范填写设备运行记录、设备故障报告、设备维修记录、设备安装、调试和验收总结
12、报告等设备运行文档；l 能够参阅各个岗位的相关资料，制定合理、可行的计算机仿真文件，编写产品使用说明书；l 能够在各个工作岗位上熟练使用各种设备、工具、仪表等；l 掌握matlab的编程；l 初步具备控制系统故障检测与排除的能力。2、方法能力目标l 独立学习能力；l 获取新知识、资料收集整理能力；l 制定实施工作计划的能力；l 观察、分析、检查判断能力。3、社会能力目标l 培养学生的沟通能力及团队协作精神；l 培养学生的勇于创新、敬业乐业的工作作风；l 培养学生的质量意识、品牌意识；l 培养学生的社会责任心、具有环保意识；l 培养学生的安全意识及自我保护能力。（三）职业资格证书考核目标三、课程
13、教学内容及学时安排（一）课程教学内容模块课程内容教学方式教学目的系统概述控制系统仿真的概述及应用简介面授明确控制系统仿真的目的和应用领域Matlab基础知识数据类型、基本矩阵操作、运算符和特殊符号、字符串处理函数上机操作掌握matlab的基本使用规则，熟练操作matlab基本功能Matlab基本编程M文件基础、变量和语句、程序调试、函数设计和实现上机操作掌握matlab的基本编程和编程语句，熟练完成基本编程Matlab的数据显示及存取二维绘图、三维绘图、图形处理、图形窗口上机操作掌握基本绘图方法，了解图形处理知识，熟练使用绘图功能Matlab数值计算多项式运算、插值运算、数据分析、功能函数上机
14、操作掌握多项式运算，了解一些功能函数，熟练调用函数Matlab符号计算符号计算入门、符号对象的创建和使用、符号矩阵计算上机操作了解符号运算的一些基本知识Matlab的Simulink仿真Simulink概述、模型的创建、子系统及其封装面授和上机操作掌握Simulink的基本知识，了解相关模型（二）学时安排表（学习情境规划和学习情境设计） 教学模块学习情境子学习情境（项目载体）主要内容学时分配系统概述多媒体教室多媒体展示系统应用控制系统仿真的概述及应用简介4Matlab基础知识实习实训计算机仿真数据类型、基本矩阵操作、运算符和特殊符号、字符串处理函数20Matlab基本编程实习实训计算机仿真M文
15、件基础、变量和语句、程序调试、函数设计和实现12Matlab的数据显示及存取实习实训计算机仿真二维绘图、三维绘图、图形处理、图形窗口12Matlab数值计算实习实训计算机仿真多项式运算、插值运算、数据分析、功能函数8Matlab符号计算实习实训计算机仿真符号计算入门、符号对象的创建和使用、符号矩阵计算4Matlab的Simulink仿真实习实训计算机仿真Simulink概述、模型的创建、子系统及其封装4复习、考试8总学时72四、课程实施1.控制系统仿真的基本理论：采用讲授法和案例教学法，通过控制系统仿真在实践中的案例的分析来讲授控制系统仿真的基本理论。2. Matlab的基本操作：采用项目教学
16、法、任务驱动法和实训作业法相结合的教学方法。通过一个个任务来分项目的完成matlab的基本操作，从而实现对基本操作的熟练掌握，再通过实训作业法，使学生深入理解操作，并对通用命令达到举一反三的效果。3Matlab的编程：采用案例教学和情境教学法。通过实践中的具体要仿真的案例，来培养学生的模型建立能力，分析能力。五、教学评价、考核要求构建以职业能力考核为中心、与生产过程系统性相适应、与工学结合的培养模式相适应、与任务驱动、项目导向、顶岗实习的教学方式相适应的迥异于传统方法的课程评价体系，突出“过程考核与终结考核相结合，课程考核与技能鉴定相结合”的特点。课程考核一般包括过程性考核（包括出勤情况，课堂
17、纪律，作业情况，学习态度，项目成绩等）和终结性考核。课程考核把过程性考核和终结性考核有机地结合起来，综合测量和评价学生的学习行为、学习过程和学习成就，从而为学生学习决策提供信息和依据，改善学习行为，提高学习效率，促进学生个性的全面发展；为教师教学设计和教学资源建设决策提供信息和依据。充分重视学习过程的考核，重视教学过程中学生创造能力的培养已成为共识，而且，随着科学技术的革新和信息时代的来临，知识论也发生了变化，知识被视为一个过程，而不是结果，知识体系处于变动状态，因而教学应重视学生探究能力的培养。因此，教学评价体系改革的一个重要目标，就是关注教学过程和学生的学习，注重引导学生以适应自身的学习方
18、式来学习，以形成思考和解决问题的实际能力，逐步推行课程考核与职业技能鉴定一体化的课程评价模式。教学评定方法如下表所示：表1 教学评价表名 称评定方法理论课成绩评定平时成绩（包括出勤情况，课堂纪律，作业情况，学习态度等），占总成绩的3060%。期末成绩占总成绩7040%。可根据具体课程内容与实践结合的情况进行变动，但需在课程进度计划中确定该比例，一经确定，则应按即定比例执行。校内理实一体课程考核学习态度（占10%）；实训报告（报告评分，占30%）;实训结果和进度（现场评分，占40%）, 学生自评占10%，学生相互测评（由学生测评组完成，占10%）生产性实训考核设计与实训报告（报告评分，占40%）
19、；计算机仿真（现场评分，占40%）；实训小组成绩（系统运行结果占20%）工学结合选修实验考核按学院技能课程考核要求考核，通过者记录选修课学分。下企业顶岗实习成绩评定实习结束后，学生成绩由企业、学生、系和专业教研室成立考评小组评定。成绩比例如下：企业评价占50% ；学生自评占15%，指导老师成绩占35%。课程总成绩评定教师评价40%、企业评价30%、学生自评10%、小组互评20%；六、课程资源开发与利用（一）硬件条件1. 计算机机房条件：课堂达到每个学生一台计算机，独立完成安排的任务。2. 教学设备：投影仪一台。3. 校外实训基地：深入企业进行控制系统仿真实习。4. 精品课程网站建设（二）师资条
20、件任课教师具有以下职业能力和知识结构：1. 一段时期的企业工作经历。2. 专任和兼任教师相结合的教学团队。3. 专任教师系统学习控制理论知识。（三）教材编写 （1）必须依据本课程标准编写教材，教材应充分体现任务引领、实践导向课程的设计思想。（2）教材应将本专业职业活动，分解成若干典型的工作项目，按完成工作项目的需要和岗位操作规程。（3）教材应图文并茂，提高学生的学习兴趣，加深学生对控制系统仿真的认识和理解。教材表达必须精炼、准确、科学。（4）教材内容应体现先进性、通用性、实用性，要将本专业新技术、新工艺、新材料及时地纳入教材，使教材更贴近本专业的发展和实际需要。（5）教材中活动设计的内容要具体
21、，并具有可操作性。（6）积极推进符合地区特点的校本教材的开发与使用。编写符合工学结合的实训教材和指导书，为使核心课程基于工作过程的情境教学的开展，编制专业课程引导文，实训工单等教学资料。（四）信息化教学资源（1）建设网络教学信息平台。将所有专业课程的教学计划、课程标准、教学课件、实训工单、专业查询资料上网，在网络教学信息平台上实现信息共享。（2）在实验实训室建设过程中突出一体化教学的实施。利用实物、模型、声像多媒体资源开展教学。（3）充分利用企业资源为教学服务。通过组织参观，校企合作，将企业引入学校，将课堂搬进企业，拓展学习平台。七、参考书和其他参考文献1党宏社.控制系统仿真M.西安:西安电子科技大学出版社，2008.2薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计（第2版）M.北京:机械工业出版社，2009.3黄向华.控制系统仿真M.北京:北京航空航天大学出版社，2008.4赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践M.北京: 北京航空航天大学出版社，2009.5郭阳宽，王正林.过程控制系统仿真M.北京:电子工业出版社，2009.6于浩洋，初红霞，王希凤.MATLAB实用教程-控制系统仿真与应用M.北京:化学工业出版社，2009.八、其他说明 （本标准应根据地方经济发展的需要，及时调整学习情境。）