《控制系統(tǒng)仿真》課程標準

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1、《控制系統(tǒng)仿真》課程標準 課程代碼： 課程名稱： 控制系統(tǒng)仿真 課程類型：必修 課程屬類：專業(yè)核心課程 課程學分： 4分 計劃課時：72學時 適用專業(yè)： 機電一體化（現控方向） 制訂時間：2012年2月 職業(yè)資格： 開課部門： 機電工程系 制 訂： 《控制系統(tǒng)仿真》課程組 批 準 人： 課程負責人： 一、課程概述 （一）課程性質 系統(tǒng)仿真是研究、設計、分析各種復雜系統(tǒng)的重要工具，廣泛應用于國防、軍事、能源、交通等工程與非工程領域，特別是近幾十年來，隨著計算機技術的發(fā)展，在各類應用需求的拉動和相關學科技術的推動下，系統(tǒng)仿真技術已經迅速發(fā)展成為一門具有通用

2、性、戰(zhàn)略性和跨學科的綜合性技術，并與科學計算一起，成為繼理論研究、實驗研究之后第3種認識和改造客觀世界的重要手段。目前，系統(tǒng)仿真課程已經成為系統(tǒng)工程、自動化等多個學科專業(yè)的一門主要課程。 本課程側重于系統(tǒng)仿真，尤其是控制系統(tǒng)仿真的基本原理與基本理論及其實現和應用的介紹，為了盡量減少與其他課程或教材內容重復，對可以在其他課程學習的知識如自動控制理論、程序設計基礎知識等不做過多講述。本課程注意理論和實踐相結合，所有例子均采用MATLAB語言及其基礎的函數來實現和驗證相關理論方法，以便于學生理解和實踐，并方便以圖形方式直觀表示及與MATLAB的專用仿真庫函數實現的結果進行比較，學生可直接動

3、手在MATLAB集成環(huán)境中運行實踐。 本課程是高等院校自動控制、電子工程、通信等電子信息類專業(yè)、高職機電一體化專業(yè)現控方向的專業(yè)學習領域必修課程，是校企合作開發(fā)的基于工作過程的實驗（訓）課，單獨設置實踐環(huán)節(jié)的課程。 （二）課程定位 本課程力求理論與工程實際相結合，使學生不僅能掌握數字仿真的基本原理，而且能實際應用仿真技術進行控制系統(tǒng)的設計、分析和研究。一方面，系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)設計與分析過程中所涉及的仿真理論以及仿真方法。首先分析系統(tǒng)理論、系統(tǒng)辨識與系統(tǒng)仿真三者的關系，初步介紹了仿真的過程及仿真技術的應用，使學生對仿真技術有一個全面的認識；然后分別介紹各種仿真理論，包括連續(xù)系統(tǒng)的數字仿真

4、、采樣控制系統(tǒng)的數字仿真、數字控制器控制規(guī)律的實現以及實時仿真、控制系統(tǒng)的參數最優(yōu)化技術。另一方面，從仿真技術的理論分析入手，以工程應用為目標，通過一些工程實例介紹仿真技術的應用，介紹數字仿真技術的最新發(fā)展與應用以及matlab仿真軟件的使用方法和先進的可視化數字仿真技術的基本原理。通過本課程的學習，學生能加深對控制理論的理解，并具備利用仿真技術開發(fā)控制系統(tǒng)的初步能力。 前導課程：計算機文化基礎、自動控制原理、程序設計 （三）課程設計思路 1、課程設計的基本理念 （1）以培養(yǎng)綜合職業(yè)能力為目標 以控制系統(tǒng)工作過程為主線、以工作實踐為起點，讓學生在職業(yè)行動中獲取知識，鍛煉專業(yè)技能，通過

5、完成系列工作任務來培養(yǎng)學生的專業(yè)能力、方法能力和社會能力，進一步培養(yǎng)綜合職業(yè)能力。 （2）校企合作基于工作過程開發(fā)課程 通過教師到企業(yè)調研，了解企業(yè)的生產工作流程，掌握企業(yè)對知識的需求，與企業(yè)技術人員共同開發(fā)課程，以企業(yè)真實工作任務為載體來設計學習情境，遵循由簡單到復雜的原則確定教學項目，使學生在 “真實”的職業(yè)情境中、完成任務的過程中培養(yǎng)職業(yè)能力。 （3）學習過程即為工作過程，理實一體 采用行動導向教學,教師通過制定工作任務書進行具體內容設定，學生自己通過資訊、 決策、計劃、實施、檢查、評價等環(huán)節(jié)真正實現做中學、學中做，教師只是針對性的講授、示范、引導。 2、課程設計思路 由專業(yè)

6、教師、企業(yè)兼職教師組成校企聯(lián)合課程開發(fā)團隊，并聘請機電行業(yè)專家和職業(yè)教育專家組建專業(yè)建設指導委員會，通過企業(yè)調研、畢業(yè)生追蹤回訪并召開實踐專家訪談會，課程開發(fā)團隊與企業(yè)專家一起對機電一體化專業(yè)所涵蓋的崗位群進行工作任務和職業(yè)能力分析，確定了典型工作任務，結合國家職業(yè)技能標準要求，根據從新手到專家職業(yè)成長的規(guī)律排序，將典型工作任務歸類并綜合為崗位行動領域，按照教學法通過知識與能力重構再轉化為學習領域的課程，進一步形成了機電一體化技術專業(yè)人才培養(yǎng)方案。 本課程按照由易到難、簡單到復雜構建了二個子領域模塊：控制系統(tǒng)的仿真知識，matlab的編程知識。又進一步進行了多個學習情景的開發(fā)，參照國家職業(yè)標

7、準，制定本課程能力標準，設計教學單元，同時開發(fā)教師手冊、學生手冊、學習工作頁、校本教材等教學資源，完成本課程的整體教學內容和方法的設計。 課程實施中不同的學習情境放在不同的地點，采用“三級螺旋遞進法”即理論實踐一體教學→校內生產性實訓→校外實訓基地實習，保證課程培養(yǎng)的職業(yè)素質和職業(yè)技能與現場對接。學習情境在校內實訓室和實訓車間分階段進行，在學習過程最后“提高與進階”階段時安排在校外實訓基地，由兼職教師指導頂崗實習。學校內的教學采用串行加并行的安排方式，小項目教學利用6節(jié)或4節(jié)課連排，大型項目教學整周安排實施，有利于完整工作過程的完成，有利于教學資源的充分利用。 考核評價主要體現在評價主體、

8、評價內容和標準、評價方式三個方面，實現多元化、開放化。評價主體不僅是教師，還有企業(yè)和學生。評價內容和標準立足社會需求，做到課程標準與職業(yè)資格標準的接軌，實現課程能力標準與學生職業(yè)生涯發(fā)展的協(xié)調。 二、課程目標 （一）課程工作任務目標 本課程的總體目標是使學生掌握控制系統(tǒng)的基本知識和matlab軟件的基本技能，初步形成解決生產現場實際問題的應用能力；培養(yǎng)學生的思維能力和科學精神，培養(yǎng)學生學習新技術的能力；提高學生的綜合素質，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。本課程從實際工程應用和高職教學需要，培養(yǎng)學生能夠使用計算機技術對實際控制系統(tǒng)進行仿真，并具備對各種復雜控制系統(tǒng)設計、調試和排除故障的基本能力，使學生了解控

9、制系統(tǒng)在工業(yè)自動化領域的發(fā)展動態(tài)和趨勢。 工作任務目標如下： l 按設計圖紙要求，了解控制系統(tǒng)的工作原理、結構、工作過程。 l 學習者在教師的指導下理解控制系統(tǒng)，參閱各個崗位的相關資料，制定合理、可行、高效的控制系統(tǒng)仿真方案。 l 學習者在課程規(guī)定的時間內完成控制系統(tǒng)的分析、仿真、排障等任務，作業(yè)時標準規(guī)范。對已經完成的任務進行記錄存檔，自覺維護安全、健康的工作環(huán)境。 在知識技能方面： l 熟悉常見控制系統(tǒng)的工作原理、結構、用途及工作過程，達到能正確使用和選用的目的； l 掌握控制系統(tǒng)的基本理論，具有一般控制系統(tǒng)的獨立分析能力； l 掌握matlab的基本原理及編程方法； l

10、 初步具備通過matlab軟件仿真控制系統(tǒng)的基本能力。 在過程與方法方面： l 通過理論實踐一體化課堂學習，使學生獲得較強的實踐動手能力，使學生具備必要的基本知識，具有一定的查閱圖書資料進行自學、分析問題、提出問題的能力。 l 通過該課程各項實踐技能的訓練，使學生經歷基本的工程技術工作過程，學會使用相關工具從事生產實踐，形成尊重科學、實事求是、與時俱進、服務未來的科學態(tài)度。 l 通過對控制系統(tǒng)的認識和深刻領會，以及教學實訓過程中創(chuàng)新方法的訓練，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題和技術創(chuàng)新的能力，使學生養(yǎng)成良好的思維習慣，掌握基本的思考與設計的方法，在未來的工作中敢于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新。 l

11、在技能訓練中，注意培養(yǎng)愛護工具和設備、安全文明生產的好習慣。 在情感態(tài)度與價值觀方面： l 對從事控制系統(tǒng)設計工作，充滿熱情。 l 有較強的求知欲，樂于、善于使用所學仿真技術解決生產實際問題。具有克服困難的信心和決心，從戰(zhàn)勝困難、實現目標、完善成果中體驗喜悅。 l 具有實事求是的科學態(tài)度，樂于通過親歷實踐實現，檢驗、判斷各種技術問題。 l 在工作實踐中，有與他人合作的團隊精神，敢于提出與別人不同的見解，也勇于放棄或修正自己的錯誤觀點。 上述三個層面的目標相互滲透、有機聯(lián)系，共同構成控制系統(tǒng)仿真課程的培養(yǎng)目標。在具體的教學活動中，要引導學生在應用計算機仿真技術的過程中，實現知識與技能

12、、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等不同層面職業(yè)素養(yǎng)的綜合提升和協(xié)調發(fā)展。 （二）職業(yè)能力目標 1、專業(yè)能力目標 l 熟悉相關國家標準和行業(yè)規(guī)范； l 熟悉一般工業(yè)中使用的控制系統(tǒng)； l 規(guī)范填寫設備運行記錄、設備故障報告、設備維修記錄、設備安裝、調試和驗收總結報告等設備運行文檔； l 能夠參閱各個崗位的相關資料，制定合理、可行的計算機仿真文件，編寫產品使用說明書； l 能夠在各個工作崗位上熟練使用各種設備、工具、儀表等； l 掌握matlab的編程； l 初步具備控制系統(tǒng)故障檢測與排除的能力。 2、方法能力目標 l 獨立學習能力； l 獲取新知識、資料收集整理能力；

13、l 制定實施工作計劃的能力； l 觀察、分析、檢查判斷能力。 3、社會能力目標 l 培養(yǎng)學生的溝通能力及團隊協(xié)作精神； l 培養(yǎng)學生的勇于創(chuàng)新、敬業(yè)樂業(yè)的工作作風； l 培養(yǎng)學生的質量意識、品牌意識； l 培養(yǎng)學生的社會責任心、具有環(huán)保意識； l 培養(yǎng)學生的安全意識及自我保護能力。 （三）職業(yè)資格證書考核目標 三、課程教學內容及學時安排 （一）課程教學內容 模塊 課程內容 教學方式 教學目的 系統(tǒng)概述 控制系統(tǒng)仿真的概述及應用簡介 面授 明確控制系統(tǒng)仿真的目的和應用領域 Matlab基礎知識 數據類型、基本矩陣操作、運算符和特殊符號、字符串處理函數 上

14、機操作 掌握matlab的基本使用規(guī)則，熟練操作matlab基本功能 Matlab基本編程 M文件基礎、變量和語句、程序調試、函數設計和實現 上機操作 掌握matlab的基本編程和編程語句，熟練完成基本編程 Matlab的數據顯示及存取 二維繪圖、三維繪圖、圖形處理、圖形窗口 上機操作 掌握基本繪圖方法，了解圖形處理知識，熟練使用繪圖功能 Matlab數值計算 多項式運算、插值運算、數據分析、功能函數 上機操作 掌握多項式運算，了解一些功能函數，熟練調用函數 Matlab符號計算 符號計算入門、符號對象的創(chuàng)建和使用、符號矩陣計算 上機操作 了解符號運算的一些基

15、本知識 Matlab的Simulink仿真 Simulink概述、模型的創(chuàng)建、子系統(tǒng)及其封裝 面授和上機操作 掌握Simulink的基本知識，了解相關模型 （二）學時安排表（學習情境規(guī)劃和學習情境設計） 教學模塊 學習情境 子學習情境 （項目載體） 主要內容 學時分配 系統(tǒng)概述 多媒體教室 多媒體展示系統(tǒng)應用 控制系統(tǒng)仿真的概述及應用簡介 4 Matlab基礎知識 實習實訓 計算機仿真 數據類型、基本矩陣操作、運算符和特殊符號、字符串處理函數 20 Matlab基本編程 實習實訓 計算機仿真 M文件基礎、變量和語句、程序調試、函數設計和實現

16、 12 Matlab的數據顯示及存取 實習實訓 計算機仿真 二維繪圖、三維繪圖、圖形處理、圖形窗口 12 Matlab數值計算 實習實訓 計算機仿真 多項式運算、插值運算、數據分析、功能函數 8 Matlab符號計算 實習實訓 計算機仿真 符號計算入門、符號對象的創(chuàng)建和使用、符號矩陣計算 4 Matlab的Simulink仿真 實習實訓 計算機仿真 Simulink概述、模型的創(chuàng)建、子系統(tǒng)及其封裝 4 復習、考試 8 總學時 72 四、課程實施 1.控制系統(tǒng)仿真的基本理論：采用講授法和案例教學法，通過控制系統(tǒng)仿真在實踐中的案例的分析來講授控制

17、系統(tǒng)仿真的基本理論。 2. Matlab的基本操作：采用項目教學法、任務驅動法和實訓作業(yè)法相結合的教學方法。通過一個個任務來分項目的完成matlab的基本操作，從而實現對基本操作的熟練掌握，再通過實訓作業(yè)法，使學生深入理解操作，并對通用命令達到舉一反三的效果。 3．Matlab的編程：采用案例教學和情境教學法。通過實踐中的具體要仿真的案例，來培養(yǎng)學生的模型建立能力，分析能力。 五、教學評價、考核要求 構建以職業(yè)能力考核為中心、與生產過程系統(tǒng)性相適應、與工學結合的培養(yǎng)模式相適應、與任務驅動、項目導向、頂崗實習的教學方式相適應的迥異于傳統(tǒng)方法的課程評價體系，突出“過程考核與終結考核相結合，

18、課程考核與技能鑒定相結合”的特點。 課程考核一般包括過程性考核（包括出勤情況，課堂紀律，作業(yè)情況，學習態(tài)度，項目成績等）和終結性考核。課程考核把過程性考核和終結性考核有機地結合起來，綜合測量和評價學生的學習行為、學習過程和學習成就，從而為學生學習決策提供信息和依據，改善學習行為，提高學習效率，促進學生個性的全面發(fā)展；為教師教學設計和教學資源建設決策提供信息和依據。 充分重視學習過程的考核，重視教學過程中學生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)已成為共識，而且，隨著科學技術的革新和信息時代的來臨，知識論也發(fā)生了變化，知識被視為一個過程，而不是結果，知識體系處于變動狀態(tài)，因而教學應重視學生探究能力的培養(yǎng)。因此，教學

19、評價體系改革的一個重要目標，就是關注教學過程和學生的學習，注重引導學生以適應自身的學習方式來學習，以形成思考和解決問題的實際能力，逐步推行課程考核與職業(yè)技能鑒定一體化的課程評價模式。 教學評定方法如下表所示： 表1 教學評價表 名 稱 評定方法 理論課成績評定 平時成績（包括出勤情況，課堂紀律，作業(yè)情況，學習態(tài)度等），占總成績的30－60%。期末成績占總成績70－40%?？筛鶕唧w課程內容與實踐結合的情況進行變動，但需在課程進度計劃中確定該比例，一經確定，則應按即定比例執(zhí)行。 校內理實一體課程考核 學習態(tài)度（占10%）；實訓報告（報告評分，占30%）;實訓結果和進度（現場評分，

20、占40%）, 學生自評占10%，學生相互測評（由學生測評組完成，占10%） 生產性實訓考核 設計與實訓報告（報告評分，占40%）；計算機仿真（現場評分，占40%）；實訓小組成績（系統(tǒng)運行結果占20%） 工學結合選修實驗考核 按學院技能課程考核要求考核，通過者記錄選修課學分。 下企業(yè)頂崗實習成績評定 實習結束后，學生成績由企業(yè)、學生、系和專業(yè)教研室成立考評小組評定。成績比例如下：企業(yè)評價占50% ；學生自評占15%，指導老師成績占35%。 課程總成績評定 教師評價40%、企業(yè)評價30%、學生自評10%、小組互評20%； 六、課程資源開發(fā)與利用 （一）硬件條件 1. 計算

21、機機房條件：課堂達到每個學生一臺計算機，獨立完成安排的任務。 2. 教學設備：投影儀一臺。 3. 校外實訓基地：深入企業(yè)進行控制系統(tǒng)仿真實習。 4. 精品課程網站建設 （二）師資條件 任課教師具有以下職業(yè)能力和知識結構： 1. 一段時期的企業(yè)工作經歷。 2. 專任和兼任教師相結合的教學團隊。 3. 專任教師系統(tǒng)學習控制理論知識。 （三）教材編寫 （1）必須依據本課程標準編寫教材，教材應充分體現任務引領、實踐導向課程的設計思想。 （2）教材應將本專業(yè)職業(yè)活動，分解成若干典型的工作項目，按完成工作項目的需要和崗位操作規(guī)程。 （3）教材應圖文并茂，提高學生的學習興趣，加深

22、學生對控制系統(tǒng)仿真的認識和理解。教材表達必須精煉、準確、科學。 （4）教材內容應體現先進性、通用性、實用性，要將本專業(yè)新技術、新工藝、新材料及時地納入教材，使教材更貼近本專業(yè)的發(fā)展和實際需要。 （5）教材中活動設計的內容要具體，并具有可操作性。 （6）積極推進符合地區(qū)特點的校本教材的開發(fā)與使用。編寫符合工學結合的實訓教材和指導書，為使核心課程基于工作過程的情境教學的開展，編制專業(yè)課程引導文，實訓工單等教學資料。 （四）信息化教學資源 （1）建設網絡教學信息平臺。將所有專業(yè)課程的教學計劃、課程標準、教學課件、實訓工單、專業(yè)查詢資料上網，在網絡教學信息平臺上實現信息共享。 （2）在實驗

23、實訓室建設過程中突出一體化教學的實施。利用實物、模型、聲像多媒體資源開展教學。 （3）充分利用企業(yè)資源為教學服務。通過組織參觀，校企合作，將企業(yè)引入學校，將課堂搬進企業(yè)，拓展學習平臺。 七、參考書和其他參考文獻 ［1］黨宏社.控制系統(tǒng)仿真［M].西安:西安電子科技大學出版社，2008. ［2］薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計（第2版）［M].北京:機械工業(yè)出版社，2009. ［3］黃向華.控制系統(tǒng)仿真［M].北京:北京航空航天大學出版社，2008. ［4］趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐［M].北京: 北京航空航天大學出版社，2009. ［5］郭陽寬，王正林.過程控制系統(tǒng)仿真［M].北京:電子工業(yè)出版社，2009. ［6］于浩洋，初紅霞，王希鳳.MATLAB實用教程-控制系統(tǒng)仿真與應用［M].北京:化學工業(yè)出版社，2009. 八、其他說明 （本標準應根據地方經濟發(fā)展的需要，及時調整學習情境。）