《復雜系統(tǒng)建模與仿真（Matlab）》教學大綱課程編號：13230434英文名稱：ModelingandSimulationofComplexSystems(Matlab)學分：2.0學時：總學時40學時，其中理論24學時，實踐16學時先修課程：電路原理、復變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)（理工）課程類別：專業(yè)拓展課程授課對象：機器人工程專業(yè)學生教學單位：機械與電氣工程學院修讀學期：第6學期一、課程描述和目標本課程是機器人工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課和工具性課程。課程面向智能儀器儀表信號處理、多軸機器人控制系統(tǒng)等復雜系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)建模與仿真相關專業(yè)知識，具備復雜系統(tǒng)建模、性能分析、控制器設計、信號提取等方面的仿真和優(yōu)化能力。本課程擬達到的課程目標:課程目標1：系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)建模與仿真相關專業(yè)知識，了解Matlab建模與仿真原理及應用，理解其在系統(tǒng)建模與仿真的適用范圍，并能完成相關單元模塊的仿真設計；課程目標2：能夠根據(jù)復雜工程建模、分析和仿真的具體要求，進行團隊合作，選擇合適的工具箱和優(yōu)化算法，進行性能分析、參數(shù)計算和系統(tǒng)設計；課程目標3：能夠辯證吸收團隊其他隊成員的意見和建議，能夠根據(jù)智能儀器儀表信號處理、多軸機器人控制系統(tǒng)等工程問題，開發(fā)相應的仿真平臺，進行性能分析、參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)設計，明確仿真系統(tǒng)的適用范圍和局限性。二、課程目標對畢業(yè)要求的支撐關系畢業(yè)要求觀測點課程目標權重3.2能夠針對特定需求，完成感知、控制、驅動、執(zhí)行等單元模塊的設計；課程目標1H9.1理解多學科背景下團隊合作的重要性，能夠與其他成員有效溝通，合作共事；課程目標2M9.3能夠辯證吸收團隊其他隊成員的意見和建議，組織、協(xié)調和指揮團隊開展工作。課程目標3H三、教學內容、基本要求與學時分配（一）理論教學序號教學內容基本要求及重、難點（含德育要求）學時教學方式對應課程目標1緒論：結合案例和仿真演示等形式，介紹系統(tǒng)仿真技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，討論課程的學習方法、教學計劃和考核要求基本要求：掌握系統(tǒng)建模與仿真的基本概念及其應用，了解常用的仿真建模軟件重點難點：Matlab編程語言靈活應用德育要求：合作共贏2集中講授、文獻閱讀課程目標12Matlab程序設計基礎：講解和實踐Matlab環(huán)境下的數(shù)據(jù)結構、矩陣運算、多項式計算、函數(shù)調用與編寫等基本要求：了解MATLAB語言的基本使用環(huán)境及MATLAB語言的數(shù)據(jù)結構，掌握矩陣、多項式的運算及MATLAB函數(shù)編寫與技巧。重點難點：函數(shù)調用德育要求：職業(yè)規(guī)范4集中講授、課后作業(yè)課程目標13MATLAB/Simulink基礎：Simulink的工作環(huán)境和建模方法基本要求：熟悉Simulink的工作環(huán)境，熟練掌握MATLAB編程和Simulink建模仿真的基本方法，了解Simulink建模仿真的基本過程重點難點：復雜系統(tǒng)的Simulink模型搭建德育要求：實事求是2集中講授課程目標14動態(tài)系統(tǒng)仿真建模與分析設計：靜態(tài)系統(tǒng)MATLAB編程仿真、動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型及其求解、動態(tài)性能分析基本要求：掌握靜態(tài)系統(tǒng)MATLAB編程仿真的基本方法，了解動態(tài)系統(tǒng)常用的數(shù)學模型，了解動態(tài)方程求解的基本原理和方法，熟練掌握動態(tài)系統(tǒng)建模及性能分析的基本方法，了解模型對象的概念及其應用重點難點：動態(tài)方程的求解與性能分析德育要求：實事求是4集中講授課程目標1課程目標25Simulink控制系統(tǒng)分析與設計：線性系統(tǒng)模型構建、性能分析及PID控制器設計基本要求：了解控制系統(tǒng)常用的數(shù)學模型及其建模仿真方法，掌握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，了解MATLAB控制器設計工具的基本使用方法重點難點：PID設計與參數(shù)整定德育要求：實踐出真知4集中講授、團隊討論課程目標2課程目標36數(shù)字濾波器的輔助分析與設計：數(shù)字濾波器的基本概念、數(shù)學模型及常用的設計指標及其設計方法基本要求：利用MATLAB提供的各種濾波器輔助分析設計工具進行數(shù)字和模擬濾波器設計的基本方法重點難點：數(shù)字濾波器設計優(yōu)化德育要求：與時俱進4集中講授+團隊討論課程目標2課程目標37機器人系統(tǒng)建模與仿真：多軸機器人數(shù)學模型、性能分析與控制器設計基本要求：能根據(jù)數(shù)學模型對多軸機械臂進行運動軌跡分析和控制重點難點：模型構建、控制器設計、仿真與優(yōu)化德育要求：與時俱進4集中講授+團隊討論課程目標2課程目標3合計24（二）實驗教學序號實驗項目實驗內容與要求學時類型對應課程目標1Matlab語言基礎熟悉Matlab操作環(huán)境、常用函數(shù)，建立系統(tǒng)模型，進行模型轉換。2驗證課程目標12Matlab仿真基礎熟悉Simulink環(huán)形，建立動態(tài)系統(tǒng)模型，在不同解法器、參數(shù)條件下進行仿真運算，并進行結果比較2驗證課程目標13S-function開發(fā)學習利用M文件編程S-function，掌握S-function編程方法2驗證課程目標14自動控制系統(tǒng)建模與仿真了解自動控制系統(tǒng)建模與仿真的基本方法，了解matlab提供的控制系統(tǒng)輔助分析設計工具4綜合課程目標1課程目標2課程目標35濾波器設計實驗了解數(shù)字IIR、FIR濾波器設計工具和方法2驗證課程目標1課程目標26多軸系統(tǒng)建模與分析掌握系統(tǒng)模型構建方法，能夠利用系統(tǒng)工具實現(xiàn)多軸系統(tǒng)的性能分析和控制器優(yōu)化設計4設計課程目標2課程目標3合計16四、課程教學方法采用課堂講授與課外自學、實踐討論相結合的方式，系統(tǒng)介紹Matlab的基本語法和基本功能、系統(tǒng)仿真及其在自動化領域的典型應用，掌握基本的系統(tǒng)仿真方法，具備系統(tǒng)仿真能力，激發(fā)學生學習興趣，為后續(xù)課程學習奠定必要的數(shù)學和軟件基礎五、學業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績構成與要求課程考核注重形成性和終結性評價相結合，考核內容由平時作業(yè)、課程實驗、上機測試和項目大作業(yè)組成，均按百分制計分，其中平時作業(yè)占15%，課程實驗占20%，上機測試占10%，項目大作業(yè)占55%。2.課程目標達成考核與評價序號教學環(huán)節(jié)課程目標1（分值）課程目標2（分值）課程目標3（分值）合計1平時作業(yè)1050152課程實驗1055203上機測試550104綜合設計項目20152055課程目標對應分值453025100（二）考核與評價標準1.平時成績考核與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分平時作業(yè)系統(tǒng)地掌握系統(tǒng)建模與仿真相關專業(yè)知識，能根據(jù)具體的任務要求選用合適的工具箱來完成任務要求基本具備系統(tǒng)建模與仿真相關專業(yè)知識，能使用工具箱來解決具體任務要求具備系統(tǒng)建模與仿真知識，但未靈活掌握，無法有效解決具體任務要求（50-70%）系統(tǒng)建模與仿真相關專業(yè)知識掌握交叉，不具備使用合適的共具箱來解決具體任務的能力2.課程實驗分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分課程實驗能根據(jù)要求，選擇或開發(fā)合適的工具箱或仿真平臺，完成實驗任務，理解工具箱適用范圍和局限性。能根據(jù)實驗要求，選擇工具箱或搭建仿真平臺，完成大部分實驗任務（>70%），理解工具箱適用范圍和局限性。能根據(jù)實驗要求，選擇工具箱或搭建仿真平臺，完成部分實驗任務（50-70%），理解工具箱適用范圍和局限性。無法完成實驗任務（<50%），對建模仿真工具箱使用方法和適用范圍不了解或不掌握3.上機測試根據(jù)測試題目及評分標準進行打分（百分制）。4.綜合設計項目分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分項目大作業(yè)系統(tǒng)性能：能根據(jù)具體任務要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設計，性能指標符合任務要求。答辯成績：能從系統(tǒng)特性和任務要求出發(fā)，對工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設計等進行分析和闡述，準確回答提問。項目報告：能利用系統(tǒng)建模和仿真相關知識，從項目任務和系統(tǒng)特性出發(fā)，闡述設計思路、仿真平臺設計與性能，討論系統(tǒng)的適用范圍和局限性。系統(tǒng)性能：能根據(jù)具體任務要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設計，性能指標大部分符合任務要求。（>70%）答辯成績：能從系統(tǒng)特性和任務要求出發(fā)，對工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設計等進行較為準確的分析和闡述。項目報告：能利用系統(tǒng)建模和仿真相關知識，從項目任務和系統(tǒng)特性出發(fā)，較為清楚的闡述設計思路、仿真平臺設計與性能，討論系統(tǒng)的適用范圍和局限性。系統(tǒng)性能：能根據(jù)具體任務要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設計，性能指標符合任務要求（>50%）。答辯成績：能從系統(tǒng)特性和任務要求出發(fā)，對工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設計等有分析和闡述。項目報告：能利用系統(tǒng)建模和仿真相關知識，從項目任務和系統(tǒng)特性出發(fā)，描述設計思路、仿真平臺設計與性能。系統(tǒng)性能：未根據(jù)具體任務要求完成系統(tǒng)建模、分析和控制設計，性能大部分不符合任務要求（<50%）。答辯成績：無法能從系統(tǒng)特性和任務要求出發(fā)，對工具箱選擇和使用、系統(tǒng)設計等進行分析和闡述，準確回答提問。項目報告：未從項目任務和系統(tǒng)特性出發(fā)，闡述設計思路、仿真平臺設計與性能，討論系統(tǒng)的適用范圍和局限性。六、教材與參考書（一）推薦教材1．《Matlab/Simulink系統(tǒng)建模與仿真》,向軍編著,清華大學出版社，2021年4月版。2.《Matlab實用教