控制系统数字仿真(02296)自学考试大纲

上海市高等教育自学考试

工业自动化专业（独立本科段）（B080603）

控制系统数字仿真 (02296)自学考试大纲

上海交通大学自学考试办公室编

上海市高等教育自学考试委员会组编

2013年

I、课程的性质及其设置的目的和要求

1. 本课程的性质与设置的目的
   “控制系统数字仿真”是利用数字计算进行各种控制系统分析、设计、研究的有力工具，是控制系统工程技术人员必须掌握的一门技术。
   本课程是工业自动化专业的专业课程，也是一门理论和实际紧密结合的课程。
   通过本课程的学习，学生能掌握系统仿真的基本概念、基本原理及方法；掌握基本的仿真算法及能用高级编程语言在微机上编程实现，学会使用常用的仿真软件。为学习后继课程、从事工程技术工作、科学研究以及开拓性技术工作打下坚实的基础。
    
2. 本课程的基本要求

1. 要求掌握系统、模型、仿真的基本概念，这是学好仿真这门课程的概念基础。
2. 掌握常用的连续系统数学仿真算法及能用某种高级编程语言上机实现。
3. 初步掌握利用微机来分析、设计、研究控制系统的方法与仿真技术。
    

1. 本课程与相关课程的联系
   先修课程：自动控制原理、现代控制理论基础、高级编程语言。
    
   
   II、课程内容与考核目标
    
   第1章 概  论
   （一）学习目的和要求
   通过本章学习，了解系统的概念，系统的分类方法及特点，仿真的应用目的。了解模型的基本概念，熟悉模型的分类方法及特点。掌握仿真的基本概念，仿真的分类方法及特点。熟悉仿真的一般步骤，仿真技术的应用，熟悉计算机仿真的三要素及基本活动。
    
   （二）课程内容
   第一节 系统、模型与仿真

1. 系统
2. 模型
3. 仿真
4. 仿真科学与技术的发展沿革
    
   第二节 系统仿真的一般知识

1. 相似理论
2. 基于相似理论的系统仿真
3. 系统仿真的类型
4. 系统仿真的一般步骤
    
   第三节 仿真科学与技术的应用

1. 仿真在系统设计中的应用
2. 仿真在系统分析中的应用
3. 仿真在教育与训练中的应用
4. 仿真在产品开发及制造过程中的应用
    
   第四节 当前仿真科学与技术研究的热点

1. 网络化仿真技术
2. 复杂系统/开放复杂巨系统的建模与仿真
3. 综合自然环境的建模与仿真
4. 基于普适计算技术的普适仿真技术
5. 基于高性能计算机的仿真
      
   （三）考核知识点

1. 系统的基本概念，系统的分类，系统的三大要素，系统的边界。
2. 模型的基本概念，模型的分类方法及特点。
3. 仿真的基本概念，仿真的应用目的，仿真的分类方法及特点。
4. 仿真的一般步骤，仿真技术的应用。
    
   （四）考核要求

1. 系统、模型与仿真
   (1)领会
   系统、模型、仿真的基本概念。
   系统、模型、仿真的分类方法及特点。
   系统的三要素。
   计算机仿真的三要素及基本活动。
    
2. 系统仿真的一般知识
   (1)领会
   仿真的应用目的。
   仿真的一般步骤。
    
   第2章  连续系统模型
    
   （一）学习目的和要求
   通过本章学习，了解连续系统的数学模型分类方法、模型类型和表述形式。掌握连续系统的各种数学模型描述及含义。掌握连续系统数学模型的相互变换关系。
    
   （二）课程内容
   第一节 连续系统模型描述

1. 连续时间模型
2. 离散时间模型
3. 连续、离散混合模型
   第二节 连续系统模型设计

1. 外部模型到内部模型的变换
2. 系统状态初始值变换
3. 面向结构图的模型变换
    
   （三）考核知识点

1. 连续系统的数学模型分类。
2. 连续系统的模型描述。
3. 连续系统的模型变换。
    
   （四）考核要求

1. 连续系统模型描述
   (1)领会
   连续系统的数学模型分类方法
   模型类型和表述形式
    
2. 连续系统模型设计
   (1)简单应用
   连续系统的各种数学模型描述及含义
   连续系统各种数学模型的相互变换
   
   第3章  经典的连续系统仿真建模方法学
    
   （一）学习目的和要求
   通过本章学习，掌握连续系统数字仿真的基本概念、基本方法及特点。掌握数值积分方法的特点和意义，掌握线性多步法的基本原理。掌握用数值积分方法求解微分方程的数值方法。掌握数值积分方法的稳定性分析。掌握积分步长的选择原则和方法。掌握常用的实时仿真算法。掌握常用的数值积分方法：欧拉法、梯形法、龙格-库塔法、阿达姆氏方法。掌握数值积分方法中的一些基本概念：单步法、多步法、自启动算式、预报-校正法、显式公式、隐式公式、截断误差、舍入误差、累计误差、数值积分公式的精度、计算的稳定性。掌握面向微分方程的数字仿真程序的主程序和主要子程序的编程框图，用某种高级编程语言编程实现，利用面向微分方程的数字仿真程序对一些实际系统（例卫星轨道系统）进行仿真实验。
    
   （二）课程内容
   第一节 连续系统离散化原理
   第二节 龙格-库塔法

1. 龙格-库塔法基本原理
2. 龙格-库塔法的误差估计及步长控制
3. 实时龙格-库塔法
   第三节 线性多步法

1. 线性多步法基本原理
2. 线性多步法误差分析
3. 关于变步长的讨论
   第四节 稳定性分析
    
   （三）考核知识点

1. 连续系统数学仿真的基本概念。
2. 对仿真建模方法的基本要求。
3. 数值积分法。
4. 数值积分方法的稳定性分析。
5. 基于数值积分方法的面向微分方程的数字仿真方法。
    
   （四）考核要求

1. 连续系统离散化原理
   (1)领会
   连续系统数字仿真的基本概念、特点
    
2. 龙格-库塔法
   (1)领会
    常用的实时仿真算法
   (2)简单应用
   数值积分方法
   (3)综合应用
   面向微分方程的数字仿真程序
    
3. 线性多步法
   (1)识记
   线性多步法的基本原理
    
4. 稳定性分析
   (1)领会
   数值积分方法的稳定性分析
   
   第4章  离散相似法
    
   （一）学习目的和要求
   通过本章学习，了解时域离散相似法的基本原理，掌握基于时域离散相似法的仿真模型计算方法、状态转移矩阵的计算方法、常用非线性环节的仿真方法，掌握离散相似法非线性系统仿真程序的主程序和主要子程序的编程框图，用某种高级编程语言编程实现，利用该程序对一些实际系统（例小功率随动系统）进行仿真实验。了解频域仿真建模学的基本原理和特点，掌握替换法、根匹配法和频域离散相似法，了解可调整积分方法。熟悉采样控制系统的概念及基本结构，掌握采样周期和仿真步距的含义，掌握采样系统仿真方法，掌握不同采样周期差分模型的转换，掌握延迟环节的仿真模型。
    
   （二）课程内容
   第一节 时域离散相似法

1. 基本原理
2. 状态转移矩阵的计算
3. 增广矩阵法
   第二节 面向结构图的非线性系统仿真

1. 典型线性动态环节，的计算
2. 常用非线性环节计算子程序
3. 非线性系统离散相似法仿真程序CSS02.C
   第三节 频域离散相似法

1. 替换法
2. 根匹配法
3. 可调整积分法
   第四节 采样控制系统仿真

1. 采样控制系统
2. 采样周期与仿真步距
3. 纯延迟环节的仿真模型
4. 采样控制系统仿真举例
    
   （三）考核知识点

1. 时域离散相似法。
2. 增广矩阵法。
3. 基于时域离散相似法的面向结构图的系统仿真程序。
4. 频域仿真建模方法的基本原理和特点。
5. 替换法。
6. 根匹配方法。
7. 频域离散相似法。
8. 可调整积分方法。
9. 采样控制系统的概念及基本结构。
10. 采样周期和仿真步距。
11. 采样控制系统仿真方法。
12. 不同采样周期差分模型的转换。
13. 纯延迟环节的仿真模型。
     
    （四）考核要求

1. 时域离散相似法
   (1)领会
   时域离散相似法的基本原理，
   (2)简单应用
   离散相似法
   增广矩阵法
   状态转移矩阵的计算方法
    
2. 面向结构图的非线性系统仿真

1. 简单应用
   典型线性动态环节，的计算
2. 综合应用
   非线性环节的仿真
   面向结构图的离散相似法非线性系统的仿真程序
    

1. 频域离散相似法
   (1)领会
   频域仿真建模方法基本的原理和特点
   可调整积分方法
   (2)简单应用
   替换法
   根匹配法
   频域离散相似法
    
2. 采样控制系统仿真
   (1)领会
   采样控制系统的概念及基本结构
   采样周期和仿真步距
   (2)简单应用
   纯延迟环节仿真
   不同采样周期差分模型的转换
   (3)综合应用
   采样控制系统仿真方法
    
    
   
   Ⅲ、有关说明与实施要求
   一、关于考核目标的说明
   1、关于考试大纲与教材的关系
   考试大纲以纲要的形式规定了控制系统数字仿真的基本内容，是进行学习和考核的依据；教材是考试大纲所规定课程内容的具体化和由浅入深、循序渐进地系统论述，便于自学应考者自学、理解和掌握。考试大纲和教材在内容上基本一致。
   2、关于考核目标的说明
   （1）本课程要求应考者掌握的知识点都作为考核内容。
   （2）关于考试大纲四个能力层次的说明
   识记：要求应考者能知道本课程中有关的名词、概念、原理和知识的含义，并能正确认识和表述。
   领会：要求在识记的基础上，能全面把握本课程中的基本概念、基本原理、基本公式等内容，并能加以区别和联系，同时有能正确表述。
   简单应用：要求在领会的基础上，能应用本课程中基本知识、基本原理、基本方法中的少量知识分析和解决简单理论问题或应用问题。
   综合应用：要求在简单应用的基础上，能运用学过的各个知识点，综合分析和解决比较复杂的问题。
    
   二、关于自学教材
   指定教材：《系统仿真导论》肖田元、范文慧  编著；清华大学出版社，2010年2月第2版。
   参考书：《连续系统建模与仿真》肖田元、范文慧  编著；电子工业出版社，2010年11月第1版。
    
   三、自学方法指导
   1．先详细阅读自学考试大纲中有关各章的考核知识点、自学要求和考核要求，以便阅读教材（限概论、第一篇第二章至第四章）时，心中有数，有的放矢。
   2．自学中应以阅读指定教材为主，翻阅参考书为辅。阅读时，结合自学要求，对有关各节、各段的内容要仔细阅读、推敲。阅读例题时，可自己试做，以此来检查学习。
   3．学习过程中要注意掌握基本概念、算法的特点和使用方法，切忌死记硬背，要能做到灵活应用和举一反三。学习中要注意各节、各章的有机联系。
   4．做作业是理解、消化和巩固所学知识，培养分析问题和解决问题能力的重要环节。学生在有关章节阅读、理解后再独立完成作业，以检查自己掌握相关内容的程度。
    
   四、自学时间分配建议
   本课程是一门重要的专业课，共3学分，自学时间包括阅读课文、做作业，共计98学时。
    

五、对社会助学的要求

1. 应熟知考试大纲对本课程所提出的总的要求和各章的知识点。
2. 应掌握各知识点要求达到的层次，并深刻理解对各知识点的考核要求。
3. 辅导时，应以指定的教材为基础，考试大纲为依据，不要随意增删内容，以免与自学考试大纲脱节。
4. 辅导时，要注重基础，突出重点，引导考生认真阅读教材，刻苦钻研教材，积极启发考生要依靠自己学懂的学习方法。
    
   六、关于命题考试的要求
   1、覆盖面与重点章节
   本课程的命题考试，应根据本大纲规定的考核知识点和考核要求，来确定考试范围；不要任意扩大成缩小考试范围，提高或降低考核要求。考试命题要覆盖到本大纲的第一章到第四章的内容，并适当突出重点章节（主要是第二章的第二节、第三章第二节以及第四章等以及本大纲的考核要求中所提到的全部内容），命题要体现本各章的基本内容。
   2、试卷能力层次比例
   试卷对能力层次的要求应结构合理。对不同能力层次要求的试题分数比例，一般为：识记占20%，领会占30%，简单应用占30%，综合应用占20%。
     3、试卷难易比例
   要合理安排试卷的难度。试卷难易度分为易、较易、较难、难四个档次，每份试卷中不同难度试题的分数比例一般为：易占20%，较易占30%，较难占30%，难占20%。试卷难易度与能力层次不同，在各能力层次中，都可有难易度不同的试题。
   4、题型
   本课程考试试题主要题型有单项选择题、填空题、简答题、计算题等四种题型，题型举例见附录。
   5、考试形式、考试时间
   考试方法为闭卷笔试，考试时间为150分钟、考试时可带钢笔、计算器等文具。
   
   附录：题型举例
    
   一、单项选择题
    
   1、用的关系对进行转换，若是稳定的，则是___________。                                 

二、填空题

1、双线性替换法的替换公式为              。

三、简答题

1、试简述系统仿真的一般步骤？

四、分析计算题

1、  取计算步距H=0。1，试用欧拉法、四阶龙格-库塔法求T=H时的Y值， 并将求得的Y值与精确解 比较，说明造成差异的原因。