系統(tǒng)建模與仿真 教學(xué)大綱

PAGEPAGE11《系統(tǒng)建模與仿真》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱系統(tǒng)建模與仿真課程編號課程性質(zhì)選修課課程類別學(xué)科專業(yè)選修課開課單位智能制造教研室授課學(xué)期第6學(xué)期學(xué)分/學(xué)時2/32課內(nèi)學(xué)時32理論授課16上機學(xué)時16課內(nèi)實踐0實驗學(xué)時0課外學(xué)時32適用專業(yè)智能制造工程專業(yè)是否雙語否先修課程高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、控制工程基礎(chǔ)后續(xù)課程畢業(yè)設(shè)計二、課程簡介《系統(tǒng)建模與仿真》是一門以控制理論為基礎(chǔ)、以計算機仿真軟件為工具的專業(yè)選修課，主要研究系統(tǒng)模型及其求解，數(shù)據(jù)可視化及仿真程序設(shè)計的應(yīng)用性學(xué)科，其基本理論和方法滲透在工程技術(shù)的各個領(lǐng)域，是工程設(shè)計和實驗研究的基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解系統(tǒng)建模、計算機仿真的基本概念、原理和方法等主要基礎(chǔ)知識，熟悉系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)常用的仿真算法和應(yīng)用領(lǐng)域，初步掌握MATLAB/SimuLink軟件在機、電、液、測、控一體化技術(shù)領(lǐng)域的主要應(yīng)用。三、課程目標(biāo)及對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐（一）課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到以下目標(biāo)：課程目標(biāo)1（知識傳授）.系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)建模與仿真相關(guān)專業(yè)知識，在機、電、液、測、控一體化技術(shù)領(lǐng)域得到系統(tǒng)分析與設(shè)計方面的基本訓(xùn)練，具有智能制造工程專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的較寬廣的知識結(jié)構(gòu)。課程目標(biāo)2（能力培養(yǎng)）.通過課程學(xué)習(xí)和項目案例分析，使學(xué)生能夠通過檢索文獻(xiàn)，并結(jié)合所學(xué)知識對機、電、液、測、控一體化技術(shù)領(lǐng)域的工程系統(tǒng)進(jìn)行建模及仿真驗證，基本具有綜合運用理論知識、技術(shù)手段和工程方法解決工程實際問題的能力。具有自覺的批判意識和創(chuàng)新意識，能夠思考專業(yè)工程實踐的可持續(xù)性，評價產(chǎn)品周期中可能對人類和環(huán)境造成的損害和隱患。課程目標(biāo)3（價值塑造）.通過系統(tǒng)建模與仿真的工程實踐，培育社會責(zé)任感和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求真務(wù)實的工程職業(yè)素質(zhì)。（二）課程目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點畢業(yè)要求課程目標(biāo)15.2能夠開發(fā)或應(yīng)用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，對智能制造工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行模擬與預(yù)測，并能夠理解其局限性。5-使用現(xiàn)代工具課程目標(biāo)22.3具備文獻(xiàn)資料檢索能力，能夠?qū)ξ墨I(xiàn)進(jìn)行分析和歸納，并將其用于分析復(fù)雜智能制造工程問題，以獲得有效結(jié)論。5.2能夠開發(fā)或應(yīng)用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，對智能制造工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行模擬與預(yù)測，并能夠理解其局限性。7.2能夠站在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的角度思考專業(yè)工程實踐的可持續(xù)性，評價產(chǎn)品周期中可能對人類和環(huán)境造成的損害和隱患。2-問題分析5-使用現(xiàn)代工具7-環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展課程目標(biāo)32.3具備文獻(xiàn)資料檢索能力，能夠?qū)ξ墨I(xiàn)進(jìn)行分析和歸納，并將其用于分析復(fù)雜智能制造工程問題，以獲得有效結(jié)論。5.2能夠開發(fā)或應(yīng)用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，對智能制造工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行模擬與預(yù)測，并能夠理解其局限性。2-問題分析5-使用現(xiàn)代工具四、課程基本教學(xué)內(nèi)容及對課程目標(biāo)的支撐（一）課程基本教學(xué)內(nèi)容第一單元建模與仿真的基本概念（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容（1）系統(tǒng)建模與仿真的基本概念及其應(yīng)用。（2）常用的仿真建模軟件及發(fā)展綜述。（3）系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及應(yīng)用領(lǐng)域。2.重點和難點重點：（1）系統(tǒng)建模與仿真的基本概念。（2）常用的仿真建模軟件及發(fā)展綜述。（3）系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及應(yīng)用領(lǐng)域。難點：系統(tǒng)模型的表達(dá)方法。3.教學(xué)方法講授法、討論法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果識記：系統(tǒng)建模與仿真的基本概念；常用的仿真建模軟件。領(lǐng)會：系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。應(yīng)用：系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)3第二單元MATLAB基礎(chǔ)（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容（1）MATLAB運行界面及工具箱。（2）數(shù)組與矩陣的生成運算。（3）圖形處理方法。（4）M語言基礎(chǔ)使用方法。2.重點和難點重點：（1）MATLAB運行界面及工具箱。（2）數(shù)組與矩陣的生成運算。（3）圖形處理方法。（4）M語言基礎(chǔ)使用方法。難點：數(shù)組與矩陣的應(yīng)用。3.教學(xué)方法講授法、案例分析法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）熟悉MATLAB運行環(huán)境。（2）能夠基于MATLAB語言完成數(shù)組、矩陣的生成運算。（3）能夠基于MATLAB語言完成圖形的基本處理。（4）掌握M語言設(shè)計規(guī)范及調(diào)用方法。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)3。第三單元MATLAB/Simulink基礎(chǔ)（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容（1）MATLAB/Simulink的工作環(huán)境。（2）MATLAB編程和Simulink建模仿真的基本方法。（3）Simulink建模仿真的基本過程。（4）MATLAB中求解器的概念及設(shè)置方法。2.重點和難點重點：（1）MATLAB編程和Simulink建模仿真的基本方法。（2）MATLAB中求解器的概念及設(shè)置方法難點：MATLAB中求解器的概念3.教學(xué)方法講授法、案例分析法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果基于MATLAB編程和Simulink實現(xiàn)簡單系統(tǒng)的建模仿真。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)3。第四單元MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)分析與設(shè)計（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容（1）控制系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型及其建模仿真方法。（2）Simulink控制工具箱中的常用模塊及其在控制系統(tǒng)建模與仿真中的基本使用方法。2.重點和難點重點：（1）控制系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型及其建模仿真方法。（2）Simulink控制工具箱中的常用模塊及其在控制系統(tǒng)建模與仿真中的基本使用方法。（3）PID控制的概念及基本使用。難點：PID參數(shù)調(diào)節(jié)與仿真結(jié)果的聯(lián)系。3.教學(xué)方法翻轉(zhuǎn)課堂法、案例分析法、討論法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果基于MATLAB/Simulink能夠完成控制系統(tǒng)的建模與仿真。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、2、3。第五單元MATLAB/Simulink機電系統(tǒng)分析與設(shè)計（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容（1）四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真。（2）二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真。2.重點和難點重點：（1）四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真方法。（2）二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真方法。難點：函數(shù)的使用及數(shù)值運算。3.教學(xué)方法翻轉(zhuǎn)課堂法、討論法。4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果（1）掌握機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真方法。（2）掌握二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真方法。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、2、3。上機內(nèi)容一MATLAB基礎(chǔ)上機（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.主要內(nèi)容Matlab語言基礎(chǔ)編程應(yīng)用方法；基于Matlab語言的圖形繪制技巧。2.重點和難點重點：（1）Matlab語言基礎(chǔ)編程應(yīng)用方法；（2）基于Matlab語言繪制方程曲線；（3）曲線的基礎(chǔ)編輯保存。難點：Matlab程序語句錯誤查找。3實施方式課堂示范與指導(dǎo)。4.學(xué)習(xí)要求通過上機實踐掌握Matlab語言基礎(chǔ)應(yīng)用。5.上機要求預(yù)先熟悉Matlab語言基礎(chǔ)編程應(yīng)用方法。6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果能夠獨立完成基于Matlab語言的給定方程曲線繪制及編輯保存。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.課程目標(biāo)2.課程目標(biāo)3上機內(nèi)容二連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID仿真（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.主要內(nèi)容多種仿真方法實現(xiàn)以二階線性傳遞函數(shù)為被控對象的模擬PID控制。2.重點和難點重點：（1）以二階線性傳遞函數(shù)為被控對象的模擬PID控制；（2）Simulink的建模仿真方法。難點：M函數(shù)及S函數(shù)的使用。3實施方式課堂示范與指導(dǎo)。4.學(xué)習(xí)要求通過上機實踐理解連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID控制方法。5.上機要求預(yù)習(xí)M函數(shù)及S函數(shù)的編程范例。6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果基于Simulink實現(xiàn)二階線性系統(tǒng)的模擬PID控制。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.課程目標(biāo)2.課程目標(biāo)3上機內(nèi)容三連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID仿真（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.主要內(nèi)容多種仿真方法實現(xiàn)以二階線性傳遞函數(shù)為被控對象的模擬PID控制。2.重點和難點重點：以二階線性傳遞函數(shù)為被控對象的數(shù)字PID控制。難點：M函數(shù)及S函數(shù)的使用。3實施方式課堂示范與指導(dǎo)。4.學(xué)習(xí)要求通過上機實踐理解連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID仿真方法。5.上機要求預(yù)習(xí)M函數(shù)及S函數(shù)的編程范例。6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果基于Simulink實現(xiàn)二階線性系統(tǒng)的數(shù)字PID控制。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.課程目標(biāo)2.課程目標(biāo)3上機內(nèi)容四四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.主要內(nèi)容四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真。2.重點和難點重點：四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模；Simulink的建模仿真方法。難點：積分器的初始條件設(shè)置。3實施方式課堂示范與指導(dǎo)。4.學(xué)習(xí)要求通過上機實踐理解機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真方法。5.上機要求預(yù)習(xí)機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真編程范例。6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果基于Simulink實現(xiàn)四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.課程目標(biāo)2.課程目標(biāo)3上機內(nèi)容五二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.主要內(nèi)容二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真。2.重點和難點重點：二連桿機器手臂的動力學(xué)建模；Simulink的建模仿真方法。難點：積分器的初始條件設(shè)置。3實施方式課堂示范與指導(dǎo)。4.學(xué)習(xí)要求通過上機實踐理解機構(gòu)的動力學(xué)建模與仿真方法。5.上機要求預(yù)習(xí)機構(gòu)的動力學(xué)建模與仿真編程范例。6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果基于Simulink實現(xiàn)二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1.課程目標(biāo)2.課程目標(biāo)3（二）課程基本教學(xué)內(nèi)容對課程目標(biāo)的支撐課程教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)學(xué)時安排課內(nèi)課外學(xué)時比例第一單元建模與仿真的基本概念講授法、討論法課程目標(biāo)1、321:1第二單元MATLAB基礎(chǔ)講授法、案例分析法課程目標(biāo)1、341:1第三單元MATLAB/Simulink基礎(chǔ)講授法、案例分析法課程目標(biāo)1、321:1第四單元MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)分析與設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂法、案例分析法、討論法課程目標(biāo)1、2、341:1第五單元MATLAB/Simulink機電系統(tǒng)分析與設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂法、討論法課程目標(biāo)1、2、341:1上機內(nèi)容一MATLAB基礎(chǔ)上機實驗探究法課程目標(biāo)1、2、34上機內(nèi)容二連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID仿真實驗探究法課程目標(biāo)1、2、321:1上機內(nèi)容三連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID仿真實驗探究法課程目標(biāo)1、2、321:1上機內(nèi)容四四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真實驗探究法課程目標(biāo)1、2、341:1上機內(nèi)容五二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真實驗探究法課程目標(biāo)1、2、341:1合計30五、課程考核及對課程目標(biāo)的支撐（一）課程考核課程成績構(gòu)成（百分制）課程成績構(gòu)成比例考核環(huán)節(jié)目標(biāo)分值考核/評價細(xì)則平時成績50%測驗（百分制）50由章節(jié)測驗、知識點測驗等組成。取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)最終成績。目標(biāo)分值=0.5*測驗平均成績課堂表現(xiàn)（百分制）50考核方式：由線上章節(jié)任務(wù)點（15%）、課堂互動（30%）、簽到（5%）、學(xué)習(xí)次數(shù)（10%）和主題討論（30%）組成。評分細(xì)則：按完成任務(wù)點的個數(shù)計分，全部完成得滿分；參與投票、問卷、搶答、選人、討論、隨堂練習(xí)等課程互動活動獲得相應(yīng)分?jǐn)?shù)，積分達(dá)到60分為滿分；按出勤率計分(出勤次數(shù)/簽到總數(shù))；按章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)計分，達(dá)100次為此項滿分；主題討論發(fā)表一個話題累計2.0分，回復(fù)一個話題累計2.0分，（同一話題下多次回復(fù)不重復(fù)得分），獲得一個贊累計2.0分，最高分100分。目標(biāo)分值=0.5*作業(yè)平均成績實踐成績50%上機作業(yè)（百分制）50本門課程5次上機作業(yè)，主要考核學(xué)生對上機專題實踐內(nèi)容的掌握情況。目標(biāo)分值=0.5*上機作業(yè)平均成績專題設(shè)計（百分制）50專題設(shè)計任務(wù)：文獻(xiàn)檢索給定的某電液位置控制系統(tǒng)的性能分析研究現(xiàn)狀，根據(jù)給定的某電液位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，基于Matlab/Simulink完成建模仿真分析。考核內(nèi)容：1.建模方案，2.匯報表達(dá)，3.答辯表現(xiàn)，4報告規(guī)范，5文獻(xiàn)綜述能力目標(biāo)分值=0.5*專題設(shè)計平均成績（二）課程考核對課程目標(biāo)的支撐教學(xué)內(nèi)容考核內(nèi)容考核方式支撐的課程目標(biāo)第一單元建模與仿真的基本概念建模與仿真的基本概念測驗，課堂表現(xiàn)課程目標(biāo)1、3第二單元MATLAB基礎(chǔ)2-1MATLAB運行環(huán)境。2-1基于MATLAB語言的數(shù)組、矩陣的生成運算。2-3基于MATLAB語言完成圖形的基本處理方法2-4M語言設(shè)計規(guī)范及調(diào)用方法。測驗，課堂表現(xiàn)，上機作業(yè)課程目標(biāo)1、3第三單元MATLAB/Simulink基礎(chǔ)3-1MATLAB編程和Simulink建模仿真的基本方法3-2MATLAB中求解器的概念及設(shè)置方法測驗，課堂表現(xiàn)，上機作業(yè)課程目標(biāo)1、2、3第四單元MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)分析與設(shè)計4-1控制系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型及其建模仿真方法。4-2Simulink控制工具箱中的常用模塊及其在控制系統(tǒng)建模與仿真中的基本使用方法。4-3PID控制的概念及基本使用。測驗，課堂表現(xiàn)，上機作業(yè)，專題設(shè)計課程目標(biāo)1、2、3第五單元MATLAB/Simulink機電系統(tǒng)分析與設(shè)計5-1四連桿機構(gòu)的運動學(xué)建模與仿真方法。5-2二連桿機器手臂的動力學(xué)建模與仿真方法。測驗，課堂表現(xiàn)，上機作業(yè)課程目標(biāo)1、2、3上機內(nèi)容一MATLAB基礎(chǔ)上機（1）Matlab語言基礎(chǔ)編程應(yīng)用方法；（2）基于Matlab語言繪制方程曲線；（3）曲線的基礎(chǔ)編輯保存。上機作業(yè)課程目標(biāo)1、2、3上機內(nèi)容二連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID仿真（1）以二階線性傳遞函數(shù)為被控對象的模擬PID控制；（2）Simulink的建模仿真方法。上機作業(yè)課程