课程代码：11191141
课程名称：控制系统仿真
课程类别：选修课
授课周数：8
周 学 时：1.5-1
课程学分：2
面向对象：本科生
预修课程要求：自动控制理论、数值计算方法、过程工程原理
一、课程介绍（100-150字）
本课程主要讲述如何利用计算机进行控制系统的仿真和辅助设计的方法和步骤。主要内容包括数学模型的表示方法和连续系统的离散化、连续系统和采样系统的数字仿真方法、系统模型的辨识方法、基于频域和时域的控制系统计算机辅助设计以及常用的PID控制器及其参数整定方法。
二、教学目标
本课程针对自动化类的本科生，介绍控制系统计算机仿真与辅助设计的基本原理和方法，着重于各种方法的MATLAB语言实现。本课程的目的是深化学生对自动控制系统理论的理解，培养学生利用计算机进行控制系统仿真和辅助设计的能力。
(一)主要内容
第一章 概论
1.1 仿真技术概述
1.2 计算机辅助设计控制系统的形成与发展
第二章 连续系统数学模型表示方法及实现
2.1 连续系统的数学模型表示方法
2.2 实现问题
第三章 连续系统的离散化方法
3.1 引言
3.2 数值分析方法
3.3 常用的数值积分方法
3.4 离散相似法离散连续系统
第四章 连续控制系统的仿真
4.1 仿真模型的结构
4.2 典型环节的离散化系统及其差分方程
4.3 控制系统结构图的数值表示方法
4.4 非线性系统的仿真
4.5 关于仿真误差及数值稳定性问题
第五章 采样控制系统的数字仿真
5.1 计算机控制系统的仿真
5.2 数字控制器
第六章 计算机辅助建立系统动态模型
6.1 用经典时域辨识法建立对象动态数学模型
6.2 用频域法辨识系统模型
6.3 用相关分析法辨识系统脉冲响应响应函数
第七章 基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计
7.1 单变量系统的稳定性分析
7.2 传递函数的频率特性计算
7.3 基于频域法的单变量控制系统计算机辅助设计
7.4 多变量系统设计的现代频域方法简介
第八章 PID控制器的计算机仿真与辅助设计
8.1 PID控制器
8.2 PID控制器的参数自动整定
8.3 鲁棒PID控制器参数整定
第九章 基于时域的线性控制系统计算机辅助设计
9.1 状态反馈和极点配置
9.2 具有线性二次型性能指标的最优控制系统
(二)学习目标
1. 了解计算机仿真及辅助设计的内容及意义。
2. 掌握传递函数模型与状态空间模型之间的转换方法。
3. 掌握连续系统的离散化。
4. 掌握连续系统、非线性环节和PID控制系统的仿真方法。
5. 掌握计算机辅助建立系统动态模型的基本方法。
6. 掌握控制系统计算机辅助设计的时域和频域方法。
三、课程要求
（一）授课方式
课堂讲座。
（二）学习要求
每周到课，完成实验任务，期末进行上机考试。
四、 考核
所有学生必须遵守学术道德规范，鼓励相互之间进行讨论，但提交的作业必须独立完成。
平时成绩和实验报告占总成绩的60%；期末上机考试占总成绩的40%。
五、教学计划
（一）课堂教学
第一章 概论 1学时
1.1 仿真技术概述
1.2 计算机辅助设计控制系统的形成与发展
第二章 连续系统数学模型表示方法及实现 2学时
2.1 连续系统的数学模型表示方法
2.2 实现问题
第三章 连续系统的离散化方法 5学时
3.1 引言
3.2 数值分析方法
3.3 常用的数值积分方法
3.4 离散相似法离散连续系统
第四章 连续控制系统的仿真 4学时
4.1 仿真模型的结构
4.2 典型环节的离散化系统及其差分方程
4.3 控制系统结构图的数值表示方法
4.4 非线性系统的仿真
4.5 关于仿真误差及数值稳定性问题
第五章 采样控制系统的数字仿真 1学时
5.1 计算机控制系统的仿真
5.2 数字控制器
第六章 计算机辅助建立系统动态模型 5学时
6.1 用经典时域辨识法建立对象动态数学模型
6.2 用频域法辨识系统模型
6.3 用相关分析法辨识系统脉冲响应响应函数
第七章 基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计 3学时
7.1 单变量系统的稳定性分析
7.2 传递函数的频率特性计算
7.3 基于频域法的单变量控制系统计算机辅助设计
7.4 多变量系统设计的现代频域方法简介
第八章 PID控制器的计算机仿真与辅助设计 1.5学时
8.1 PID控制器
8.2 PID控制器的参数自动整定
8.3 鲁棒PID控制器参数整定
第九章 基于时域的线性控制系统计算机辅助设计 1.5学时
9.1 状态反馈和极点配置
9.2 具有线性二次型性能指标的最优控制系统
（二）实验教学
1 建立实验室的水箱液位系统的动态数学模型 4学时
2 编写程序完成仿真和控制器设计任务 12学时
（三）其它
六、教学日历
| 周序 | 主题 | 主要内容 |
| 1 | 概论 连续系统数学模型表示方法及实现 | l 仿真技术概述 l 计算机辅助设计控制系统的形成与发展 l 连续系统的数学模型表示方法 l 实现问题 |
| 2 | 计算机辅助建立系统动态模型(I) | l 用经典时域辨识法建立对象动态数学模型 l 用频域法辨识系统模型 |
| 3 | 计算机辅助建立系统动态模型(II) 连续系统的离散化方法(I)
| l 用相关分析法辨识系统脉冲响应响应函数 l 引言 l 数值分析方法 |
| 4 | 连续系统的离散化方法(II)
| l 常用的数值积分方法 l 离散相似法离散连续系统 |
| 5 | 连续控制系统的仿真(I) | l 仿真模型的结构 l 典型环节的离散化系统及其差分方程 l 控制系统结构图的数值表示方法 |
| 6 | 连续控制系统的仿真(II) 采样控制系统的数字仿真 | l 非线性系统的仿真 l 关于仿真误差及数值稳定性问题 l 计算机控制系统的仿真 l 数字控制器 |
| 7 | 基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计 | l 单变量系统的稳定性分析 l 传递函数的频率特性计算 l 基于频域法的单变量控制系统计算机辅助设计 l 多变量系统设计的现代频域方法简介 |
| 8 | PID控制器的计算机仿真与辅助设计 基于时域的线性控制系统计算机辅助设计 | l PID控制器 l PID控制器的参数自动整定 l 鲁棒PID控制器参数整定 l 状态反馈和极点配置 l 具有线性二次型性能指标的最优控制系统 |
（超过8周，请自行添加）
七、参考教材及相关资料
1 钱积新, 王慧, 周立芳, 赵豫红. 控制系统的数字仿真及计算机辅助设计. 化学工业出版社, 2010
