《系统设计与仿真》课程教学大纲
《系统设计与仿真》课程教学大纲
课程名称：系统设计与仿真
英文名称：Automatic Control System Design And Simulation
课程类型：专业平台课
总学时及学分：40学时、2.5学分
适应对象：自动化专业
主要先修课程：自动控制原理、电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术
执行日期：2017年9月
一、 课程的性质与任务
性质：《系统设计与仿真》是自动化专业设置的一门专业基础课。
任务：该课程任务是使学生掌握包括计算机仿真技术的基本概念、MATLAB语言概述与基本运算、绘图功能、控制系统的数学模型及其转换、连续系统的数字仿真、SIMULINK仿真集成环境、控制系统的计算机辅助分析和设计等，为专业课的学习和进一步深造打下必要的理论与实践基础，掌握必要的基本技能。
二、 课程的教学目标
知识目标：本课程主要以仿真软件MATLAB语言为基础，掌握控制系统仿真和辅助设计的基本技能。
能力目标：通过本课程教学使学生理解掌握计算机仿真的基本概念和方法，能够针对实际问题设计具体仿真方案。熟练掌握MATLAB软件的使用，能够对具体问题编写仿真软件。掌握控制系统常用仿真方法，能够熟练使用SIMULINK进行仿真。
素质目标：培养学生的自主学习能力；培养学生查阅期刊、杂志、网上资源解决实际问题的能力。
三、 教学内容及其基本要求
模块1 系统和控制系统
1、系统、模型、仿真的概念；
2、系统建模与仿真的发展历史与发展趋势及其应用。
教学基本要求：
1、了解系统与仿真的概念；
2、了解系统建模的应用。
教学重点：
控制系统仿真相关概念：系统、模型、仿真等。
教学难点：
系统与模型的概念。
模块2 MATLAB语言基础
1、使用MATLAB的窗口环境；
2、MATLAB矩阵运算及多项式处理；
3、绘图简介；
4、MATLAB程序设计入门。
教学基本要求：
1、掌握MATLAB语言的特点、窗口命令、变量和数据显示格式、常见的数学运算符及基本数学函数、MATLAB空间、文件管理、学会使用帮助；
2、掌握矩阵输入、矩阵运算、矩阵操作、多项式处理；
3、掌握plot, figure, axis, text, gtext, title, xlabel, ylabel, zlabel, hold, legend, subplot, grid, semilogx命令的基本运用，了解bax, hist, stairs, stem, pie等应用绘图及三维绘图命令；
4、掌握MATLAB程序设计的基本原则、程序的编辑、程序种类、局部变量与全局变量的声明、常用编程命令、关系与逻辑运算符、程序流程控制（for/while）。
教学重点：
1、MATLAB软件中矩阵的运算、多项式处理；
2、MATLAB绘图的基本操作，Plot、figure、title, xlabel, ylabel, zlabel, hold, legend, subplot, grid命令的应用；
3、MATLAB程序设计的基本原则。
教学难点：
1、矩阵的乘法、多项式运算；
2、Plot、figure、title, xlabel, ylabel, zlabel, hold函数的组合应用。
模块3 控制系统的数学模型
1、控制系统的微分方程数学模型；
2、传递函数描述；
3、状态空间描述；
4、模型的转换与连接。
教学基本要求：
1、掌握线性定常连续系统微分方程求解指令ode23（）、ode45（）的使用；
2、了解连续系统的传递函数模型、零极点增益模型、部分展开式的相关指令；
3、了解状态空间表达式[A,B,C,D]；
4、掌握数学模型转换指令residue；ss2tf；ss2zp等，系统模型连接及相应的指令，控制系统的模型属性及相应指令。
教学重点：
1、连续系统的传递函数模型、零极点增益模型的相关指令；
2、系统模型连接及相应的指令，控制系统的模型属性及相应指令。
教学难点：
连续系统的传递函数模型、零极点增益模型、部分展开式的相关指令。
模块4 控制系统的分析方法
1、稳定性分析；
2、控制系统的时域分析；
3、控制系统的频域分析；
4、根轨迹法。
教学基本要求：
1、了解零极点图绘制指令pzmap()的使用；
2、掌握单位阶跃响应step()、单位脉冲响应impulse()、时域分析函数help control；
3、掌握伯德图函数bode，奈奎斯特图函数nyquist，频率响应函数freqs；
4、掌握绘制根轨迹曲线函数：rlocus；rlocfind。
教学重点：
1、单位阶跃响应step()、单位脉冲响应impulse()、时域分析函数help control；
2、掌握伯德图函数bode，奈奎斯特图函数nyquist，掌握绘制根轨迹曲线函数：rlocus；rlocfind。
教学难点：
伯德图函数bode，奈奎斯特图函数nyquist，掌握绘制根轨迹曲线函数：rlocus；rlocfind。
模块5 Simulink仿真工具
1、Simulink概述；
2、Simulink模型举例及仿真方法；
3、S-函数的编写。
教学基本要求：
1、掌握Simulink模型的仿真方法；
2、掌握S-函数的编写方法。
教学重点：
掌握Simulink模型的仿真方法。
教学难点：
Simulink模型的仿真方法。
模块6 控制系统的校正
1、PID控制器的设计及参数整定；
2、三种控制系统校正方法。
教学基本要求：
1、了解PID控制器的设计方法及参数整定方法；
2、了解三种控制系统的校正方法。
教学重点：
PID控制器的设计方法及参数整定方法。
教学难点：
PID控制器的设计方法
四、各教学环节学时分配
五、 教学建议
教师应对课程进行深入的理解，突出教学内容重点，应结合多种教学手段，应注意与学生的互动。
六、 考核评价方法及要求
学生最终成绩评定由考试成绩和平时成绩这两部分组成，其中平时成绩占30%，期末成绩占70%。
七、 推荐教材与主要教学参考资源
[1] 张袅那.控制系统仿真[M].北京：机械工业出版社，2016.
[2] 王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.
[3] 薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2015.
制定者：许衍彬 2017年8月
审核者：张江亚 2017年8月
批准者：张景 2017年8月
