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1、控制系统设计与仿真课程教学大纲课程英文 名Control System Design &Simulation课程 代码A0803Z59学分2总学时32理论学时16实验/实践学时16课程类别专业教育课课程性 质选修先修课程自动控制理论、现代控 制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
2、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
3、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
4、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2)(3)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3)(4)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
5、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课程目标毕业要求(支撑程度H、M、L)1-12-44-45-4课程目标(1)H课程目标(2)M课程目标(3)L课程目标(4)H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系统仿 真概述系统仿真的概念L1课程目标(1)系统仿真的步骤及应用L1课程目标(1)控制系 统的数学 描述控制系统五种数学模型的转换L2课程目标(2)控制系统建模的基本方法L2课程目标
6、(3)常微分 方程数值 解法控制系统的实现问题L2课程目标(1) (3)欧拉法L2课程目标(2)龙格库塔法L2课程目标(2)控制系 统数字仿 真的实现MATLAB 与 SIMULINK 基础L1课程目标(2)控制系统的结构及拓扑描述L2课程目标(1)面向结构图的数字仿真L2课程目标(4)控制系 统CAD控制系统频域分析方法L2课程目标(4)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)控制系统
7、的 数学描述(2学时)控制系统的五种数学模型及转换1课程目标(2)控制系统建模方法1课程目标、常微分方程 数值解法(4学 时)控制系统的实现问题1课程目标、欧拉法的原理；编程方法1课程目标(2)二阶、四阶龙格库塔法原理；编程方法2课程目标(2)控制系统数 字仿真的实现 (4学时)MATLAB 与 SIMULINK 简介1课程目标(2)控制系统的结构及其拓扑描述1课程目标(1)面向简单(复杂)闭环系统结构图的数 字仿真实现方法2课程目标(3)、(4)控制系统CAD (4学时)经典控制理论CAD与系统设计1课程目标(4)系统优化设计2课程目标(4)现代控制理论CAD与系统设计1课程目标(4)共计1
8、6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)序号实验项目学时基本要求实验性质实验 类别课程 目标1五种数学模型的 转换2掌握微分方程、状态方程、传递 函数、零极点增益、部分分式描 述及转换；了解常用数据拟合方 法验证必做课程目 标(2)2微分方程数值解2掌握欧拉法、二阶和四阶龙格库 塔法的编程解算方法验证必做课程目 标(2)3基于 SIMULINK 的控制系统时域 分析2掌握使用SIMULINK、控制工具 箱及微分方程法求解系统的输入 输出响应的仿真方法验证必做课程目 标(2)4面向系统结构图 的仿真验证2掌握面向结构图描述的典型闭环 系统仿真求解方法验证必做课程目 标(4)5
9、控制系统的频域 特性分析2掌握频率分析法的二种方法，即 Bode 图、Nyquist 曲线、Nichols 图分析方法，系统稳定性分析验证必做课程目 标(4)6PID控制系统参 数优化设计2掌握系统优化设计的PID参数调 节方法验证必做课程目 标(4)7电路系统仿真2针对典型电路系统，利用微分方 程法和Simulink法进行系统分析 和验证验证必做课程目 标(3)8双摆系统仿真2针对倒立摆系统，利用微分方程 法和Simulink法进行系统分析和 验证验证必做课程目 标(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
10、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。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
11、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平时作业成绩考核课堂教学各知识点的课堂接受程 度、听课效果。10%中国计量大学学生课 程平时成绩考核细则期末考试成绩考核仿真技术各知识点的基本概念、基 本编程方法、及基本应用。题型为填空、 简答、编程题、分析题等。60%试卷参考答案和评分 标准实验成绩考核仿真方法在控制系统时域和频域 分析中的基本应用，以实验报告形式。20%实验指导书课堂表现成绩以到课率、课堂互动回答问题等形式， 检验学生学习程度。10%中国计量大学学生课 程平时成绩考核细则表6课程目标考核环节和达成标
12、准课程目标教学 划节考核环节合格标准课程目标1讲授平时成绩（考勤、作业）A0.6期末考试成绩Cl目标达成度= 0.6x + 0.2xACl0Ao课程目标2讲授 与 实验平时成绩（考勤、作业）A0.6实验考核B期末考试成绩C2目标达成度= 0.6x，+ 0.2xa + 0.2x-C2（）A。B。课程目标3讲授 与 实验平时成绩（考勤、作业）A0.6实验考核B期末考试成绩C3目标达成度= O.6x0 + O.2xA + O.2xgC3AB课程目标4讲授 与 实验平时成绩（考勤、作业）A0.6实验考核B期末考试成绩C4C4AR目标达成度= 0.6x.+ 0.2xa + 0.2xEC4（）A（）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