6013A508MATLAB与系统仿真
发布日期：2019-04-18 （点击次数：）
课程名称： |
MATLAB与系统仿真 |
课程模块编码： |
6013A508 |
总学时数： |
32 |
课内实践学时数： |
12 |
学 分： |
2 |
开课单位： |
电信学院 |
先修课程： |
线性代数、计算机基础、电力电子技术、自动控制原理 |
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适用专业： |
电气BG |
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一、课程性质、目的和任务
《MATLAB与系统仿真》课程是电气工程及其自动化专业学生任选专业课程之一。通过本课程学习，使学生能较系统地利用仿真技术深入了解自动化及电气工程专业的专业基础课、专业课的基本知识、原理和方法，通过仿真技术，使学生掌握MATLAB的编程、调试、仿真技能，初步具有分析和解决一些实际问题的能力，为以后的工程实践打好良好的理论和实践基础。主要支撑毕业要求1.3、2.1、3.1、4.1、4.2、5.2达成。
通过本课程的学习，达到以下教学目标：
1、工程知识
掌握必要的MATLAB仿真软件的基本知识。能够应用计算机仿真软件的基本知识解决复杂电气工程的建模与仿真技术问题。
2、问题分析
能够理解并恰当使用数学模型来表述电气工程实际问题。在一定的限制条件下能够合理解决电气工程实际问题。
3、设计/开发解决方案
能够运用MATLAB仿真的基本知识进行电力系统规划与设计并体现创新意识。
4、解决工程问题
能够采用数学和计算机仿真的基本知识进行电力系统研究并合理设计实验方案。
5、使用现代工具
能够有效使用MATLAB软件对控制工程实际问题进行模拟、分析与预测。
表1 课程教学目标对专业毕业要求的支撑
毕业要求指标点 |
课程目标 |
1.3 掌握电气工程领域的专业知识，能够对电气工程领域复杂工程问题的数学模型或解决方案进行比较、综合、优选，并提出改进思路。 |
课程目标1：工程知识 掌握必要的MATLAB仿真软件的基本知识。能够应用计算机仿真软件的基本知识解决复杂电气工程的建模与仿真技术问题。
|
2.1能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理对电气工程领域复杂工程问题进行数学建模、求解或机理分析。2.3能够运用电气工程专业知识对复杂工程问题进行分解、分析和钻研，并结合文献研究得出有效结论。 |
课程目标2：问题分析 能够理解并恰当使用数学模型来表述电气工程实际问题。在一定的限制条件下能够合理解决电气工程实际问题。 |
3.1能够综合运用所掌握的专业知识、技术手段和开发工具，设计满足特定需求的产品或系统。 |
课程目标3：设计/开发解决方案 能够运用MATLAB仿真的基本知识进行电力系统规划与设计并体现创新意识。 |
4.1能够针对电气工程领域的工程实际问题进行初步的推理、建模与仿真分析。 4.2能够运用科学方法设计实验方案、搭建实验平台、获取实验数据。 |
课程目标４：解决工程问题 能够采用数学和计算机仿真的基本知识进行电力系统研究并合理设计实验方案。 |
5.2熟悉C语言、MATLAB、STEP7、PROTEUS、KEIL等软件仿真和在线硬件仿真工具的运用，能对工程问题进行模拟和预测，并理解其局限性。 |
课程目标５：使用现代工具 能够有效使用MATLAB软件对控制工程实际问题进行模拟、分析与预测。 |
二、教学内容及教学基本要求
第1章 MATLAB概述
1、教学要求
了解MATLAB运行环境的基本条件；了解MATLAB组成及功能。
掌握MATLAB的启动与退出操作。
2、教学内容
第一节 MATLAB简介
知识要点：MATLAB运行环境
第二节 MATLAB用户界面概述
知识要点：MATLAB组成及功能
3、本章重点、难点
本章重点：MATLAB用户界面概述；MATLAB组成及功能；
本章难点：MATLAB组成及功能
4、本章学时数
本章教学时数：2学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)0学时。
第2章 MATLAB矩阵及其运算
1、教学要求
了解变量、常量、函数的基本概念；了解矩阵创建的基本要求；了解特殊矩阵。
掌握用MATLAB表示变量、常量、函数的方法；掌握创建矩阵的基本方法；掌握矩阵与数组的算术、关系逻辑运算的基本操作；掌握特殊矩阵创建的基本方法。
2、教学内容
第一节 基本知识
知识要点：常量、变量、函数的基本概念及表示方法
第二节 矩阵的创建
知识要点：矩阵创建的基本要求和基本方法
第三节 矩阵与数组的运算
知识要点：矩阵和数组的算术、关系逻辑运算的基本操作
第四节 特殊矩阵的创建与操作
知识要点：特殊矩阵创建的基本方法
3、本章重点、难点
本章重点：MATLAB基本知识；矩阵与数组的运算
本章难点：特殊矩阵的创建与操作
4、本章学时数
本章教学时数：4学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)2学时。
第3章 MATLAB的数值计算
1、教学要求
了解多项式的创建；了解曲线拟合与插值的基本概念。
掌握多项式的各种运算方法；掌握代数及代数方程组、微分及微分方程组的运算方法；了解曲线拟合与插值的基本概念；掌握曲线拟合和插值的实现方法。
2、教学内容
第一节 多项式的创建与运算
知识要点：多项式的各种运算
第二节 线性方程求解
知识要点：代数及代数方程组、微分及微风方程组的运算方法
第三节 曲线拟合与插值
知识要点：曲线拟合和插值的实现方法
3、本章重点、难点
本章重点：多项式的各种运算方法；代数及代数方程组、微分及微风方程组的运算方法；曲线拟合和插值的实现方法
本章难点：曲线拟合和插值的实现方法
4、本章学时数
本章教学时数：2学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)0学时。
第4章 MATLAB图形绘制基础
1、教学要求
了解二维曲线的应用；了解特殊图形应用场合；了解三维图形的用途；了解图形修饰的优点。
掌握绘制二维曲线的各种命令；掌握绘制特殊图形的各种命令；掌握三维基本图形的绘制方法；掌握图形的标注、网格控制、坐标轴控制。
2、教学内容
第一节 二维图形
知识要点：绘制二维曲线的绘制方法
第二节 三维图形
知识要点：三维基本图形的绘制方法
第三节 曲线拟合与插值
知识要点：图形的标注、网格控制、坐标轴控制
3、本章重点、难点
本章重点：二维曲线和三维曲线的绘制方法；图形的标注、网格控制、坐标轴控制
本章难点：图形的标注、网格控制、坐标轴控制
4、本章学时数
本章教学时数：4学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)2学时。
第5章 MATLAB程序设计
1、教学要求
了解M函数和M文件的概念；了解程序设计结构；了解程序调试的意义。
掌握M函数和M文件的组成；掌握程序控制的几种设计结构；理解程序调试与优化的基本方法。
2、教学内容
第一节 M函数与M文件
知识要点：M函数与M文件的组成
第二节 MATLAB的程序结构
知识要点：程序控制和几种设计结构
第三节 程序的调试与优化
知识要点：程序调试与优化的基本方法
3、本章重点、难点
本章重点：M函数和M文件的组成；程序控制的几种设计结构；程序调试与优化的基本方法
本章难点：程序调试与优化的基本方法
4、本章学时数
本章教学时数：4学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)2学时。
第6章 Simulink动态仿真集成环境
1、教学要求
了解Simulink的工作环境；了解Matlab/Simulink的信号模块、控制模型、输出模块组成；了解Simulink仿真参数设置、修改；了解子系统的建立和封装的技术。
掌握Simulink模型创建方法；掌握在典型信号输入下的连续系统的仿真；掌握封装子系统的基本方法。
2、教学内容
第一节Simulink概述
知识要点：Simulink的工作环境
第二节Simulink仿真结构图的创建与优化
知识要点：Simulink模型创建方法
第三节Simulink仿真方法
知识要点：在典型信号输入下的连续系统的仿真
第四节 模块化与封装
知识要点：封装子系统的基本方法
3、本章重点、难点
本章重点：Simulink模型创建方法；在典型信号输入下的连续系统的仿真；封装子系统的基本方法
本章难点：在典型信号输入下的连续系统的仿真
4、本章学时数
本章教学时数：4学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)2学时。
第7章 MATLAB在线性连续控制系统中的应用
1、教学要求
了解传递函数、部分分式和零极点的MATLAB表示法；了解各种典型输入激励的MATLAB模块。
掌握任意输入激励下控制系统仿真响应方法；掌握在MATLAB下判断系统稳定性的几种方法。
2、教学内容
第一节 线性控制系统在MATLAB中的描述
知识要点：传递函数、部分分式和零极点的MATLAB表示法
第二节 线性控制系统的时间响应分析
知识要点：系统在任意输入激励下的仿真响应方法
第三节 线性控制系统的稳定性分析
知识要点：在MATLAB下判断系统稳定性的几种方法
3、本章重点、难点
本章重点：传递函数、部分分式和零极点的MATLAB表示法；系统在任意输入激励下的仿真响应方法；在MATLAB下判断系统稳定性的几种方法
本章难点：在MATLAB下判断系统稳定性的几种方法
4、本章学时数
本章教学时数：6学时，其中讲课4学时，实验(课内实践、上机)2学时。
第8章 MATLAB在电路及电力电子系统中的应用
1、教学要求
了解SimPowerSystems模块库的内容；了解电路和电力电子系统模块及功能。
掌握SimPowerSystems中常见模块的使用；掌握电路和电力电子系统仿真模型的创建与运行。
2、教学内容
第一节SimPowerSystems简介
知识要点：SimPowerSystems中常见模块的使用
第二节Matlab/Simulink在电路及电力电子系统的应用
知识要点：电路和电力电子系统仿真模型的创建与运行
3、本章重点、难点
本章重点：SimPowerSystems中常见模块的使用；电路和电力电子系统仿真模型的创建与运行
本章难点：电路和电力电子系统仿真模型的创建与运行
4、本章学时数
本章教学时数：2学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)0学时。
第9章 MATLAB在电力系统及其他典型系统中的应用
1、教学要求
了解电力系统模型的搭建方法，案例分析；了解电力系统模块及功能。
掌握SimPowerSystems中常见模块的使用；掌握电力系统仿真模型的创建与运行；重点掌握
MATLAB进行电力系统潮流仿真、电力系统暂态稳定仿真、电力系统短路故障仿真的方法与案例。
2、教学内容
第一节 同步发电机励磁系统的建模与仿真技巧
知识要点：同步发电机励磁系统的建模与仿真
第二节 MATLAB在电力系统中应用
知识要点：MATLAB进行电力系统潮流仿真、电力系统暂态稳定仿真、电力系统短路故障仿真的方法
第三节 MATLAB在调速系统中的应用
知识要点：调速系统中的建模与仿真
3、本章重点、难点
本章重点：MATLAB进行电力系统潮流仿真、电力系统暂态稳定仿真、电力系统短路故障仿真的方法
本章难点：电力系统短路故障仿真的方法
4、本章学时数
本章教学时数：4学时，其中讲课2学时，实验(课内实践、上机)2学时。
表2 知识单元、学时分配与教学目标对应表
《MATLAB与系统仿真》课程内容及学时分配表 |
||||||
知识点 |
理论 学时 |
实验 学时 |
教学 目标 |
|||
序号 |
描述 |
序号 |
描述 |
|||
1 |
MATLAB概述 |
1 |
MATLAB简介 |
2 |
0 |
1、2、5 |
2 |
MATLAB用户界面概述 |
|||||
3 |
MATLAB组成及功能 |
|||||
2 |
MATLAB矩阵及其运算 |
1 |
矩阵的基本知识 |
2 |
2 |
1、2、5 |
2 |
矩阵的创建
|
|||||
3 |
矩阵与数组的运算 |
|||||
4 |
特殊矩阵的创建与操作 |
|||||
5 |
上机：MATLAB矩阵及其运算 |
|||||
3 |
MATLAB的数值计算
|
1 |
多项式的创建与运算 |
2 |
0 |
2、3、5 |
2 |
线性方程求解 |
|||||
3 |
曲线拟合与插值 |
|||||
4 |
MATLAB图形绘制基础 |
1 |
二维图形 |
2 |
2 |
2、3、5 |
2 |
三维图形
|
|||||
3 |
曲线拟合与插值 |
|||||
4 |
上机：MATLAB图形绘制基础 |
|||||
5 |
MATLAB程序设计 |
1 |
M函数与M文件 |
2 |
2 |
1、2、4 |
2 |
MATLAB的程序结构 |
|||||
3 |
程序的调试与优化 |
|||||
4 |
上机：MATLAB程序设计 |
|||||
6 |
Simulink动态仿真集成环境 |
1 |
Simulink概述 |
2 |
2 |
1、2、4 |
2 |
Simulink仿真结构图的创建与优化 |
|||||
3 |
Simulink仿真方法 |
|||||
4 |
模块化与封装 |
|||||
5 |
上机：Simulink动态仿真集成环境 |
|||||
7 |
MATLAB在线性连续控制系统中的应用 |
1 |
线性控制系统在MATLAB中的描述 |
4 |
2 |
1、2、4 |
2 |
线性控制系统的时间响应分析
|
|||||
3 |
线性控制系统的稳定性分析
|
|||||
4 |
上机：MATLAB在线性连续系统中的应用 |
|||||
8 |
MATLAB在电路及电力电子系统中的应用 |
1 |
SimPowerSystems简介 |
2 |
0 |
1、2、4 |
2 |
Matlab/Simulink在电路及电力电子系统的应用 |
|||||
9
|
MATLAB在电力系统及其他典型系统中的应用 |
1 |
同步发电机励磁系统的建模与仿真技巧 |
2 |
2 |
1、2、4 |
2 |
MATLAB在电力系统中应用 |
|||||
3 |
MATLAB在调速系统中的应用 |
|||||
4 |
上机：MATLAB在电力系统中的应用 |
|||||
|
总计 |
|
|
20 |
12 |
|
三、课内实践环节教学安排及要求
表3 课内实践环节教学安排表
序号 |
实验（实践、上机）项目名称 |
项目目的及基本要求 |
学时 |
实验类型 |
备注 |
1 |
MATLAB矩阵及其运算 |
用案例进行仿真 |
2 |
验证性 |
必修 |
2 |
MATLAB图形绘制基础 |
用案例进行仿真 |
2 |
验证性 |
必修 |
3 |
MATLAB程序设计 |
用案例进行仿真 |
2 |
验证性 |
必修 |
4 |
Simulink动态仿真集成环境 |
用案例进行建模与仿真 |
2 |
验证性 |
必修 |
5 |
MATLAB在线性连续系统中的应用 |
用案例进行建模与仿真 |
2 |
验证性 |
必修 |
6 |
MATLAB在电力系统中的应用 |
用案例进行建模与仿真 |
2 |
验证性 |
必修 |
注：实验类型是指验证性、综合性、设计性，上机、课内实践等项目不需填写本项内容。
四、教学手段、方法建议
课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施。
本课程将以“控制系统建模与仿真分析”为主线，使学生能较系统地利用仿真技术深入了解自动化及电气工程专业的专业基础课、专业课的基本知识、原理和方法，通过仿真技术，使学生掌握MATLAB的编程、调试、仿真技能，初步具有分析和解决一些实际问题的能力，为以后的工程实践打好良好的理论和实践基础。
本课程采用国家“十二五”规划教材，结合学生个性特点，因材施教。本课程的课堂教学将充分利用数字化技术、网络技术制作丰富多彩的教学课件和辅导材料，调动学习积极性，提高教学效率。
本课程课堂教学流程如图1所示。
图1 自动控制原理课堂教学流程
本课程安排5次课外作业：
1、找一个实例进行程序设计编写
2、MATLAB在线性连续控制系统中的应用实例
3、MATLAB在电路中的应用实例
4、MATLAB在电力电子系统中的应用实例
5、MATLAB在电力系统及其他典型系统中的应用实例
五、考核内容及考核方式
本课程考核内容为支撑毕业要求对应的课程目标，主要考查毕业要1.3、2.1、3.1、4.1、4.2、5.2所对应的课程目标的达成情况。
（一）考核内容
1、MATLAB基本知识。
2、MATLAB矩阵及其运算。
3、MATLAB的数值计算。
4、MATLAB图形绘制基础。
5、MATLAB程序设计。
6、Simulink动态仿真集成环境。
7、MATLAB在线性连续控制系统中的应用。
8、MATLAB在电路及电力电子系统中的应用。
9、MATLAB在电力系统及其他典型系统中的应用。
（二）考核方式
1．考核方式：考试（）；考查（√）
2．成绩评定：
计分制：百分制（）；五级分制（√）；两级分制（）
采用“N+2”考核模式
总评成绩构成：笔记考核（10）％；过程考核（40）%；结课考核（50）％
其中过程考核构成：考勤考纪（20）％；随堂测试（40）％；作业（20）％；实验（20）％等。
六、课程教学目标达成情况评价分析
1. 定量评价
需要根据公式逐步计算出每项课程教学目标的达成度。
2. 定性分析
需要针对课程教学目标以及毕业要求分析以下内容：
（1）上次评价中存在的问题，这次改进的情况；
（2）该课程目前存在的问题，以及后续教学过程需要改进的措施。
七、建议教材及参考资料
建议教材：
《MATLAB程序设计与应用基础教程》（第二版），张岳主编，清华大学出版社，2014年版
参考资料：
1．《MATALB应用技术——在电气工程与自动化专业中的应用》，王忠礼等编著，清华大学出版社，2007年版
2．《MATLAB程序设计教程》，李海涛主编，高等教育出版社，2002年版
3．《MATLAB程序设计与典型应用》，张德丰主编，电子工业出版社，2009年版
八、课程教学目标与毕业要求关系表
毕业要求 |
指标点 |
MATLAB与系统仿真 |
1．工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决电气工程及相关领域的中的工程实际问题。 |
1.1 能够运用数学、自然科学和工程基础对电气工程领域相关工程问题进行识别、准确表达、分析或求解。 |
|
1.2掌握专业基础知识，并能将其用于电气工程领域相关工程问题的推演和分析，得出有意义的结果。 |
|
|
1.3 掌握电气工程领域的专业知识，并能用于解决电气工程及相关领域的中的工程实际问题。 |
M |
|
2．问题分析：能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献查阅、研究分析电气工程相关领域的工程实际问题，获得有效结论。 |
2.1能够运用数学、自然科学和工程科学的基本原理对电气工程相关领域的工程实际问题进行数学建模、求解或机理分析。 |
H |
2.2能够运用工程科学的基本原理，对电气工程领域的工程实际问题进行识别和准确表达，以满足电气系统运行维护、电气工程设计的需要。 |
|
|
2.3能够运用电气工程专业知识对复杂工程问题进行分解、分析和钻研，并结合文献研究得出有效结论。 |
|
|
3．设计/开发解决方案：针对电气工程相关领域的复杂工程实际问题，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。 |
3.1能够综合运用所掌握的专业知识、技术手段和开发工具，设计满足特定需求的产品或系统。 |
M |
3.2掌握电气工程设计领域的专业知识、设计方法和工程设计工具，为满足特定需求和标准的电气工程设计项目提供解决方案。 |
|
|
3.3在电气工程相关领域复杂工程问题设计过程中，体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。 |
|
|
4．研究：能够基于科学原理并采用科学方法对电气工程领域的工程实际问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。 |
4.1能够针对电气工程领域的工程实际问题进行初步的推理、建模与仿真分析。 |
M |
4.2能够运用科学方法设计实验方案、搭建实验平台、获取实验数据。 |
L |
|
4.3能够对实验结果进行合理分析、解释，通过信息综合得出合理有效的结论，完善解决方案，并反馈到工程设计和实践中。 |
|
|
5．使用现代工具：能够针对电气工程及相关领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对工程实际问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。 |
5.1具有计算机熟练应用和电气图纸绘制的技能。 |
|
5.2熟悉C语言、MATLAB、STEP7、PROTEUS、KEIL等软件仿真和在线硬件仿真工具的运用，能对工程问题进行模拟和预测，并理解其局限性。 |
H |
|
5.3能够根据工程实际问题检索文献、查询资料、合理选择技术。 |
|
|
6．工程与社会：能够基于电气工程领域的背景知识进行合理分析，评价工程实际问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。 |
6.1了解电气工程技术的发展现状与趋势，具有工程实习和社会实践的经历。 |
|
6.2 认识工程问题与社会伦理道德联系，树立正确的工程伦理道德观，具备高度的责任感从事工程活动。 |
|
|
6.3能够评价电气工程领域工程实际问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并能正确理解由于这些影响所应当承担的责任。 |
|
|
7．环境和可持续发展：针对电气工程及相关领域的工程实际问题，能够分析和评价工程实践对环境、社会可持续发展的影响。 |
7.1理解电气产品及工程项目运行对环境和社会可持续发展可能产生的影响。 |
|
7.2能够从经济效益、社会效益、利用效率、污染以及安全隐患多个方面贯彻环境保护和社会可持续发展的理念。 |
|
|
7.3理解电气工程及相关领域的工程实践活动对环境和社会的双重性，判断其可能对人类和环境造成损害的隐患。 |
|
|
8．职业规范：具有人文社会科学素养，社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。 |
8.1 具有人文知识、思辨能力和科学精神。 |
|
8.2了解国情，理解社会主义核心价值观，维护国家利益，具有推动民族复兴和社会进步的责任感。 |
|
|
8.3能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行职责。 |
|
|
9．个人和团队：能够在多学科背景下的团队承担个体、团队成员以及负责人的角色。 |
9.1对企业运作的模式有认知能力。 |
|
9.2 能够主动与其他学科的成员合作，胜任团队成员的角色与责任。 |
|
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9.3 具有技术团队的构建、运行、协调和负责的能力。 |
|
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10.沟通：能够就电气工程及其相关领域的工程实际问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。 |
10.1 具备就电气工程及其相关领域的工程实际问题进行人际交往和口头表达的能力。 |
|
10.2 具有撰写设计文稿、技术总结报告及项目申请报告的能力。 |
|
|
10.3 具备一定的外文文献阅读、理解能力和外语交流和沟通能力。 |
|
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项目管理：理解并掌握工程管理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。 |
11.1 具有电气工程项目经济和管理的一般知识。 |
|
11.2 了解相关学科在项目应用中有关经济决策和管理的知识。 |
|
|
11.3 具有初步的项目实施过程中的运行和管理能力。 |
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12．终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。 |
12.1有积极向上的价值观，具备自主学习和终身学习的意识。 |
|
12.2掌握自主文献检索、资料查询及运用现代信息技术跟踪并获取相关信息的基本方法。 |
|
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12.3能够针对个人或职业发展的需求，采用合适的方法自主学习、自我完善、可持续发展。 |
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九、大纲说明
需要特殊表述的大纲中未尽事宜，如课程改革、整合情况等。
执 笔 人：李润生
参加研讨人员：高长伟、樊爱龙
审 核 人：关大陆
审 批 人：赵双元