《机电系统建模与仿真》教学大纲（本科）.docx

机电系统建模与仿真教学大纲课程英文名Modeling and Simulation of Mechatronics Systems课程代码01M0011学分2.5总学时40理论学时30实验/实践学时10课程类别专业必修课课程性质必修先修课程高等数学、机械设计基础、电工电 子技术、自动控制原理等适用专业机械电子工程开课学院机电工程学院执笔人审定人制定时间202()年 11 月一、课程的地位与课程目标（1）课程地位机电系统建模与仿真是综合性、实用性很强的，面向工程实际的应用型课程，是机械电 子工程的专业基础课之一。开设该门课程的H的是让学生通过该门课的学习，掌握机电系统 建模与仿真技术的基本方法，并具备对机械系统、电控系统、热力系统、液压系统、车辆系 统等专业相关的物理系统进行分析、计算、实验和设计的初步能力，为今后参加工程实践打 好必要的理论基础，掌握一定的专门技术。本课程目标是通过授课、实验、实习等教学环节，使学生掌握机电系统的基本概念、基 本观点，初步掌握机电系统的建模与仿真典型方法,能够熟练应用仿真技术来分析机电系统, 为专业课的学习和进一步深造打下必要的理论和专门技术基础，以培养学生的设计能力、创 新能力和工程意识。（2） 课程目标1 .掌握机电系统建模与仿真技术的基本方法，具备对机械系统、电控系统、热力系统、 液压系统、车辆系统等专业相关的物理系统进行分析、建立数学模型，仿真的基本能力。通 过将工匠精神、传统文化教育、职业素养、时代精神、社会责任等思政元素，融入到课程之 中，培养学生辩证唯物主义世界观和科学思维方法。（毕业要求指标点1.1能将数学、自然 科学、工程科学的语言工具用于机械电子领域的工程问题的表述/H）2 .掌握机电系统中机械、电子、控制等子系统的基本组成元件数学建模的基本方法， 及其典型的数学模型表述。掌握线性时不变系统的数学模型的计算机仿真方法，对典型子系 统数学模型的时域频域分析方法。通过把立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来， 提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。（毕业要求指标点2.2能够运用数学、 自然科学和工程科学的模型方法正确表达机械电子工程领域的复杂工程问题/H）3 .掌握MATLAB软件仿真基本方法，并具有对机电系统典型数学模型进行仿真算法实 现能力，具有灵活应用MATLAB基本方法的仿真能力。通过使学生在逻辑思维能力、抽象 思维能力、分析问题与解决问题等能力的训练，树立勤劳致富的价值观。（毕业要求指标点 53能够针对机电产品或机电系统，开发或选用满足特定需求的现代工具，模拟和预测机械、电子、控制等问题，并能够分析其局限性/H）二、课程目标达成的途径与方法授课环节中采用启发式课堂讨论、突出逻辑规律因果关系、增强计算机辅助设计分析等, 从不同侧重点启发学生认识机电系统设计分析中涉及的关键技术。并采用电子课件、实验验 证、考试考核等途径来实现课程目标。利用平时成绩、实验成绩、实物制作、作品评价成绩 （报告）、期末考试（答辩考核）成绩等，采用“课程考核成绩分析法”对课程目标达成度 进行评价。三、课程目标与相关毕业要求的对应关系注：1.支撑强度分别填写H、M或L （其中H表示支撑程度高、M为中等、L为低）； 2.毕业要求须根据课程所在专业培养方案进行描述。课程目标课程目标对课程归属专业毕业要求的支撑程度毕业要求1.1毕业要求2.2毕业要求5.3课程目标1H课程目标2H课程目标3H四、课程主要内容和基本要求知识点主要内容基 本 要 求第一章绪论系统、模型、仿真的基本概念L3系统建模与仿真技术的发展历史L2系统建模与仿真技术的研究与应用L2系统建模与仿真技术的发展趋势L2第二章数学模型与系统建模系统、子系统和元件L3数学建模与建模要求L3数学建模的基本方法和常用表述形式L3机电系统基本元件模型L3电系统系统模型L3机械系统模型L3第三章线性系统建模与系统分析概述L2线性时不变系统的数学模型L3数学模型的转换L3一阶系统、二阶系统阶跃、频率响应L2一阶二阶系统根轨迹分析法L2（欧拉、改进欧拉、龙哥库塔）数字仿真算法L3仿真算法稳定性分析与计算步长的选择L2建模与仿真的可信度评估L2基本要求：L1-理解，L2-掌握，L3-熟练掌握第四章离散系统的建模与仿真概述L2离散系统建模方法L3离散系统仿真方法L3第五章随机系统的建模与仿真概述L1随机系统模型简介L1几种典型随机系统实例L1随机系统仿真简介L1第六章分布参数系统的建模与仿 真概述L1分布参数系统的数学描述L1典型分布参数系统实例L1第七章 MATLAB 与 SIMULINK 仿真基础概述L2MATLAB操作与使用L3SIMULINK基础操作L3常微分方程数值仿真L3线性系统时域频域状态空间仿真分析L3线性系统根轨迹分析L3随机变量统计特性及系统模型L3随机过程统计特性仿真L3五、课程学时安排章节 号教学内容教学 时数学生任务对应课 程目标第1章绪论系统、模型、仿真的基本概念； 系统建模与仿真技术的发展历 史；系统建模与仿真技术的研 究与应用；系统建模与仿真技 术的发展趋势2掌握系统、模型与仿真的基本概 念，了解系统建模与仿真的发展历 史与发展趋势。1第2章数学模型与系统建模系统、子系统和元件概述；1理解数学模型的概念并掌握几种 常见的元件的数学建模方法，掌握 数学建模的基本方法。完成课后作 2. 1, 2. 2, 2. 3, 2. 4, 2. 52-3数学建模与建模要求；数学建 模的基本方法和常用表述形 式;机电系统基本元件模型；2电系统模型；机械系统模型；2第线性系统数学模型与仿真分 析；线性时不变系统状态方程 建模；2掌握线性系统时域与频域建模方 法与转换方法，熟练掌握欧拉法与 龙格库塔法的概念与编程。掌握仿 真算法稳定性分析与计算步长的2-3数学模型间的转换：33章线性系统时域频域响应（阶跃、 频率响应）；线性系统根轨迹 分析法；3选择方法。完成课后作 3. 1,3. 2, 3. 3, 3. 4, 3.5欧拉、改进欧拉、龙格库塔法 数字仿真算法；4仿真算法稳定性分析与计算步 长的选择；建模与仿真的可信 度评估概述2第4离散系统建模与仿真概述；离散系统建模方法（差 分方程）；2掌握离散系统的建模方法，理解并 掌握差分方程的定义与求解。完成课后作 4. 1,4. 2, 4. 3, 4. 4, 4. 52-3离散系统仿真方法（迭代法，z 变换）2第5随机系统建模与仿真概述；随机系统模型简介；典 型随机系统实例；2了解随机变量常用模型统计特性2-3随机系统仿真简介；1第6 章分布参数系统建模与仿真 概述；分布参数系统的数学描 述；典型分布参数系统实例；2了解分布参数系统的概念，掌握其 建模方法。2-3第7章MATLAB 与 SIMULINK 仿真 概述；MATLAB操作与使用； SIMULINK基础操作;2理解并掌握M函数和SIMULINK模 块基本操作，熟练使用MATLAB和 SIMULINK完成常微分方程的数值 解仿真，线性系统的状态空间分析 和根轨迹分析，以及欧拉法和龙格 库塔法的仿真。完成课后作 7. 1,7. 2, 7. 3, 7. 4, 7.53常微分方程数值解仿真；2线性系统时域频域状态空间仿真分析：线性系统根轨迹分析；2欧拉、改进欧拉、龙格库塔数 字仿真算法；2随机变量统计特性及系统模 型；随机过程统计特性仿真2六、实践环节及基本要求序号实验项目教学 学时学生任务实验性质实验类别1MATLAB/Simulink 基础2初步掌握在MATLAB/ SIMULINK环境下对机电 一体化系统数学模型进行 仿真的方法。验证必做2系统状态方程和2掌握基于M文件和验证必做传递函数的M文件和 SIMULINK 的微分方程仿真SIMULINK模块进行建 模、仿真，以及两种模型 之间的转换3控制系统典型环 节数字仿真及分析2掌握状态空间、阶跃响应、 频域响应、根轨迹法性能 分析验证必做4四阶龙格库塔法 求解系统模型2掌握不同数值算法步长不 同时迭代求解并分析计算 精度和算法的稳定性设计必做5倒立摆模型/随机 系统模型仿真2倒立摆数学模型及仿真/ 掌握随机变量分布及统计 特性仿真，随机过程统计 特性仿真验证选做注：1.实验性质指演示性、验证性、设计性、综合性等；2.实验类别指必做、选做等。七、考核方法及成绩评定考核内容考核方式评定标准（依据）占总成绩比例过程考核含到课率、课堂讨论发言、平时作业等点名记录、课堂发言记 录、作业完成质量10%实验考核操作及实验报告操作成绩报告批改成绩20%期末考核闭卷卷面成绩70%考核类别考试成绩登记方式百分制八、课程目标达成度评价方法注：上述A、o、Bxo、Cxo分别是作业、期末考试和实验成绩中对应于课程目标x的题目或是实验中总分;课程目标教学环节成绩评定课程目标1讲授作业Aio期末考试Bio目标达成度 1=0.1 XAi/Aio+O.7XBi/Bio课程目标2讲授作业A2o期末考试b20目标达成度 2=0.1 X A2/A20+0.7 X B2/B2o课程目标4实验一，实验二，实验三，实验四实验报告成绩C4O目标达成度4=0.2 XC4/C40Ax、B,、Cx分别是作业、期末考试和实验成绩中对应于课程目标x的题目或是实验中学生的得分。九、推荐教材与主要参考书1、陈无畏主编：系统建模与计算机仿真，机械工业出版社，2013年9月第一版。2、张晓华主编：控制系统数字仿真与CAD,机械工业出版社，2008年5月第二版。3、刘玉庆等译：系统动力学-机电系统的建模与仿真，国防工业出版社，2012年5月 第一版。4、张立勋等编：机电系统建模与仿真，哈尔滨工业大学出版社，201()年2月。