計算機控制系統(tǒng)課程教學大綱

1、計算機控制系統(tǒng)課程教學大綱課程名稱：計算機控制系統(tǒng)英文名稱： Computer Control System課程性質：專業(yè)學位課程開課學期：第 7 學期課程代碼： ELEA3042學分 /學時： 4 學分 /72 學時 (54+18)適用專業(yè)：電氣工程及其自動化先修課程：復變函數(shù)與積分變換、信號與系統(tǒng)、自動控制原理后續(xù)課程：無開課單位：機電工程學院課程負責人：楊歆豪大綱執(zhí)筆人：楊歆豪大綱審核人：余雷一、課程性質和教學目標（在人才培養(yǎng)中的地位與性質及主要內容，指明學生需掌握知識與能力及其應達到的水平）課程性質： 計算機控制系統(tǒng)是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)學位課程。本課程針對電氣工程及其自動

2、化專業(yè)的特點， 以離散控制理論等基礎知識為主，同時結合自動控制理論、 現(xiàn)代控制理論和復變函數(shù)等概念， 并且以實際應用為導向，培養(yǎng)學生熟練的運算能力及進行科學分析、 歸納和總結的能力， 提高分析問題和解決問題的能力， 從而為以后的從事實際工作和科學研究奠定一定的基礎。教學目標：計算機控制系統(tǒng)就是將計算機作為系統(tǒng)的控制器， 從而實現(xiàn)對生產對象的有效控制， 所以在本質上計算機控制討論的就是系統(tǒng)的離散控制。 本課程的主要內容包括： 信號的離散和恢復， Z 變換與 Z 反變換，差分方程及其求解，離散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、過渡過程和穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)的離散化設計和模擬化設計，數(shù)字 PID 技

3、術和改進，離散系統(tǒng)的能控性和可測性。通過本課程的學習， 要使學生了解和掌握計算機控制的基本概念、 工作原理、初步分析、具有實用價值的設計方法， 培養(yǎng)學生完成簡單計算機控制系統(tǒng)構成、 實時軟件編制以及系統(tǒng)調試維護的基本能力，為畢業(yè)后參與計算機控制系統(tǒng)開發(fā)、調試和維護打下初步基礎。本課程的具體教學目標如下：1. 了解計算機控制系統(tǒng)的定義、分類、結構和組成，較好的掌握香農采樣定理和零階保持器， 理解計算機控制系統(tǒng)的本質是離散控制系統(tǒng)， 從而掌握線性離散系統(tǒng)的數(shù)學描述 （差分方程、 Z 傳遞函數(shù)）和分析方法（Z 變換、Z 反變換）；2. 領會 S 平面與 Z 平面的映射關系，掌握線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定域，

4、熟練靈活運用線性離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，能夠利用Z 傳遞函數(shù)分析離散系統(tǒng)的過渡過程特性和離散系統(tǒng)的誤差特性， 能夠利用系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程和輸出方程分析系統(tǒng)的能控性和可測性；3. 了解離散化設計方法的基本思路，重點掌握最少拍設計方法及其改進算法那，掌握數(shù)字控制器計算機程序實現(xiàn)的三種方法： 直接程序設計法、 串行程序設計法和并行程序設計法，會應用這三種方法得到數(shù)字控制器的差分方程表達式；4. 了解計算機控制系統(tǒng)的模擬化設計思路及其成立的條件，掌握模擬控制器的各種離散化方法，并會用來求解數(shù)字控制器，重點掌握數(shù)字PID 控制方法，了解數(shù)字 PID 控制的各種改進方法以及參數(shù)整定方法。5. 了解并掌握基于

5、差分方程和 Z 傳遞函數(shù)的離散狀態(tài)空間表達式建立過程，掌握線性定常系統(tǒng)狀態(tài)方程和輸出方程的離散化方法， 掌握離散系統(tǒng)的特征方程以及狀態(tài)方程與傳遞函數(shù)距陣的關系， 了解線性離散系統(tǒng)離散狀態(tài)方程的求解方法。教學目標與畢業(yè)要求的對應關系：畢業(yè)要求指標點課程目標對應關系說明理解計算機控制系統(tǒng)的基本概1-2 掌握自動控制、計算機、念及其數(shù)學仿真模型表述（差畢業(yè)要求 1：檢測技術與儀表的基礎知教學目標 1分方程、傳遞函數(shù)） ，并能從實工程知識識，能用于自動化系統(tǒng)的反際應用出發(fā)理解信號的離散和饋和控制問題恢復（香濃采樣定理和零階保持器）?；陔x散化設計思路將最少拍教學目標 3控制器設計方法用于計算機控畢業(yè)要

6、求 3：3-1 能針對復雜問題進行調制系統(tǒng)的控制中。研并明確約束條件，完成電通過模擬化設計思路，能采取設計 /開發(fā)解氣或自動化系統(tǒng)的軟硬件需合理的離散化方法對所設計的決方案求分析教學目標 4模擬控制器進行離散化；能夠將數(shù)字 PID 技術用于計算機控制系統(tǒng)中。由于現(xiàn)代工業(yè)被控對象基本上6-2 理解電氣工程對工業(yè)自屬于多輸入多輸出，非零初始畢業(yè)要求 6：動化、智能制造和社會進步教學目標 5條件系統(tǒng)，所以將狀態(tài)空間表工程與社會的影響，并理解電氣工程實示法引入計算機控制系統(tǒng)中，踐承擔的社會責任嘗試解決一些復雜的實際工程問題。7-2 能針對實際自動化項目，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動態(tài)、靜態(tài)畢業(yè)要求 7：評價效率

7、，制訂安全防范措性能指標以及能控性、可測性環(huán)境和課持施，判斷產品可能對人類造教學目標 2的角度出發(fā)，提高系統(tǒng)的控制續(xù)發(fā)展成的損害，并能夠表達自己性能和安全系數(shù)。見解與認知二、課程教學內容及學時分配（含課程教學、自學、作業(yè)、討論等內容和要求，指明重點內容和難點內容。重點內容：；難點內容： ?）1、計算機控制概論（3 學時）（支撐教學目標1）1.1計算機控制系統(tǒng)概述1.1.1計算機控制系統(tǒng)的一般概念1.1.2計算機控制系統(tǒng)的組成1.1.3計算機控制系統(tǒng)的分類1.1 4計算機控制系統(tǒng)的特點1.2信號的采樣與恢復1.2.1信號的采樣過程（香農采樣定理）1.2.2信號的恢復過程（零階保持器）1.3計算機

8、控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢目標及要求：1）掌握自動控制系統(tǒng)的基本結構形式、主要構成環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的結構圖，掌握計算機控制系統(tǒng)的定義、主要構成環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的結構圖，掌握計算機控制系統(tǒng)中計算機的作用；2）掌握計算機控制系統(tǒng)的組成、相互關系及其在計算機控制系統(tǒng)中的作用，掌握過程通道在計算機控制系統(tǒng)中的作用和過程通道的基本類型；3）掌握根據(jù)計算機控制系統(tǒng)中的控制功能和控制目的計算機控制系統(tǒng)的分類及其與與一般模擬控制系統(tǒng)相比具有的優(yōu)點；4）掌握什么是采樣過程，掌握采樣開關是實現(xiàn)采樣過程的關鍵，掌握香農（shannon）采樣定理，掌握采樣周期選擇的幾個原則；5）知道采樣保持器是將數(shù)字序列恢復乘連續(xù)信號的裝置，掌握零階保持

9、器和一階保持器的時域表示形式，會推導零階保持器的傳遞函數(shù)，知道計算機控制中最廣泛采用的是零階保持器。討論內容：結合本學科的相關專業(yè)知識，討論計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。2、Z 變換及 Z 傳遞函數(shù)（ 14 學時）（支撐教學目標1）2.1Z 變換定義與常用信號Z 變換級數(shù)求和法部分分式法常用信號的 Z 變換2.2Z 變換的性質和定理2.3Z 反變換部分分式法留數(shù)法2.4線性定長離散系統(tǒng)的差分方程及其求解2.5Z 傳遞函數(shù)Z 傳遞函數(shù)的定義Z 傳遞函數(shù)的求法2.5.3開環(huán) Z 傳遞函數(shù)2.5.4閉環(huán) Z 傳遞函數(shù)2.5.5Z 傳遞函數(shù)的物理可實現(xiàn)性目標及要求：1）掌握 Z 變換和 Z 反變換的定義，

10、掌握級數(shù)求和法和部分分數(shù)法計算Z 變換的方法，掌握并會應用長除法、部分分式法和留數(shù)法計算Z 反變換；?2）掌握 Z 變換的線性定理、滯后定理和超前定理，掌握Z 變換的初值定理和終值定理， 并會應用初值定理和終值定理計算初值和終值， 初步掌握 Z 變換的卷積定理、求和定理、位移定理、位移定理和微分定理；3）了解差分方程是描述線性定常離散系統(tǒng)的工具，差分方程是離散系統(tǒng)時域分析的基礎，計算機控制系統(tǒng)本質是離散系統(tǒng)，會熟練求解差分方程；4）掌握 Z 傳遞函數(shù)的定義及其與脈沖響應函數(shù)的關系，掌握根據(jù)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) G(s)求 Z 傳遞函數(shù)的步驟， 并會根據(jù)該步驟計算 Z 傳遞函數(shù)；5）掌握串聯(lián)環(huán)節(jié)、

11、并聯(lián)環(huán)節(jié)的 Z 傳遞函數(shù)的計算方法，了解閉環(huán) Z 傳遞函數(shù)結構形式的多樣性， 能夠推導結構簡單的離散系統(tǒng)的閉環(huán) Z 傳遞函數(shù)，理解系統(tǒng)物理可實現(xiàn)性的概念。 ?作業(yè)內容：1、 Z 變換和 Z 反變換2、初值定理和中值定理3、差分方程求解4、系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)求解3、計算機控制系統(tǒng)的分析（9 學時）（支撐教學目標2）3.1離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件3.1 2Routh 穩(wěn)定判據(jù)3.2離散系統(tǒng)的過渡響應分析3.3離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)準確度分析目標及要求：1）了解 S 平面與 Z 平面之間的相互映射關系，掌握離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件和 Routh 穩(wěn)定判據(jù)，能熟練判定離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性；?2）掌握

12、控制系統(tǒng)的過渡過程的定義，掌握離散系統(tǒng)的時間響應與各個極點時間響應的關系，掌握離散系統(tǒng)的 Z 傳遞函數(shù)與單位脈沖響應函數(shù)的關系，會求解系統(tǒng)的輸出；3)了解連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差計算的方法，會推導單位負反饋離散系統(tǒng)的閉環(huán)誤差 Z 傳遞函數(shù)， 并根據(jù)此應用終值定理求穩(wěn)態(tài)誤差， 掌握在給定傳遞函數(shù)的基礎上，計算系統(tǒng)在單位階躍輸入、單位速度輸入、單位加速度輸入下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。討論內容：與自動控制原理所學內容進行比較， 分析連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)在計算系統(tǒng)控制性能時的不同之處。作業(yè)內容：1、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和參數(shù)待定2、求解系統(tǒng)的輸出3、穩(wěn)態(tài)誤差計算4、計算機控制系統(tǒng)的離散化設計（12 學時）（支撐教學目標 3）

13、4.1最少拍計算機控制系統(tǒng)的設計4.1.1基本概念4.1.2廣義最少拍控制器設計4.1.3無波紋最少拍控制器設計4.2數(shù)字控制器的計算機程序實現(xiàn)4.2.1直接程序法4.2.2改進型直接程序法4.2.3串行程序法4.2.4并行程序法目標及要求：1）理解離散化設計的基本思路，掌握最少拍設計的定義，掌握在典型輸入下，最少拍數(shù)字控制器的確定；2）了解最少拍系統(tǒng)的不足之處，會設計廣義最少拍控制器和無波紋最少拍控制器； ?3）掌握數(shù)字控制器計算機程序實現(xiàn)的三種方法：直接程序設計法、串行程序設計法和并行程序設計法， 會應用這三種方法得到數(shù)字控制器的差分方程表達式。作業(yè)內容：1、最少拍控制器設計2、控制器程序

14、框圖及控制器的差分方程表達5、計算機控制系統(tǒng)的模擬化設計（14 學時）（支撐教學目標 4）5.1概述5.2模擬控制器的離散化方法5.2.1沖激不變法5.2.2加零階保持器的 Z變換法5.2.3差分變換法5.2.4雙線性變換法5.3數(shù)字 PID控制5.3.1PID控制的基本形式及數(shù)字化5.3.2數(shù)字 PID控制器的控制效果5.3.3數(shù)字 PID控制算法5.4數(shù)字 PID控制算法的改進5.4.1積分分離 PID控制算法5.4.2不完全微分 PID算法5.4.3微分先行 PID算法5.4.4帶死區(qū)的 PID控制5.4.5抗積分飽和 PID算法5.5數(shù)字 PID 控制器的參數(shù)整定目標及要求：1）了解計

15、算機控制系統(tǒng)的模擬化設計基本思路和適用條件，掌握模擬化設計方法的一般步驟，重點掌握零階保持器對輸出的影響；2）掌握模擬控制器的離散化方法，包括：沖激不變法、加零階保持器的 Z 變換法、后向 /前向差分變換法和雙線性變換法， 會用這些方法求解離散化的控制器； ?3）掌握 PID 控制器的定義，掌握數(shù)字 PID 控制器的 Z 傳遞函數(shù)，掌握比例調節(jié)器、掌握比例積分調節(jié)器、比例積分微分調節(jié)器的控制作用特點，掌握數(shù)字 PID 控制算法的位置式算法和增量式算法；4）掌握改進 PID 算法的基本原理和設計思路，包括：積分分離 PID、不完全微分 PID、微分先行 PID、帶死區(qū)的 PID、抗積分飽和 PI

16、D；5）掌握數(shù)字 PID 控制的比例系數(shù)、積分時間和微分時間對系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能的影響，掌握應用試湊法、擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法的 PID 參數(shù)整定步驟。作業(yè)內容：模擬控制器的離散化方法自學拓展：查閱相關文獻，結合所學PID 相關知識，撰寫與PID 相關的科技報告。6、線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間分析（12 學時）（支撐教學目標2 和教學目標 5）6.1線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式由差分方程導出離散狀態(tài)空間表達式由Z傳遞函數(shù)建立離散狀態(tài)空間表達式6.2連續(xù)狀態(tài)方程的離散化6.3線性離散散系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣和特征值6.4線性離散系統(tǒng)性能分析穩(wěn)定性可控性可測性目標及要求：1）掌握由差分方程求解

17、狀態(tài)方程的方法，掌握由并行程序法、串行程序法和直接程序法求狀態(tài)方程的方法；2）掌握連續(xù)狀態(tài)方程的離散化方法；?3）掌握線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程的一般形式，掌握離散系統(tǒng)的特征方程，掌握狀態(tài)方程與傳遞函數(shù)距陣的關系， 知道特征方程的為特征值，也為系統(tǒng)的極點；4）掌握并應用基于狀態(tài)空間表達式的線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，掌握系統(tǒng)可控性、可測性的含義，掌握并應用線性離散系統(tǒng)的可控性、可測性的充要條件。 ?討論內容：狀態(tài)空間表示法與傳遞函數(shù)的不同之處。作業(yè)內容：1、狀態(tài)方程及輸出方程的表示2、基于狀態(tài)空間表示的穩(wěn)定性、可控性和可測性7、實驗一： A/D 與 D/A 轉換（ 2 學時）（支撐教學目

18、標 1）7.1實驗平臺 “ THKKL 6”試驗箱基本操作7.2典型模擬信號（階躍信號、斜坡信號）的離散化目標及要求：1）了解實驗平臺的結構和基本使用方法， 包括電源、基本元器件、 Easy 51Pro 軟件和虛擬示波器等；2）了解模擬通道中模數(shù)轉換與數(shù)模轉換的實現(xiàn)方法和結果。8、實驗二：數(shù)字PID 調節(jié)器算法研究實驗（ 2 學時）（支撐教學目標4）8.1 利用本實驗箱，設計并構成一個用于混合仿真實驗的計算機閉環(huán)實時控制系統(tǒng)8.2 采用常規(guī)的 PI 和 PID 調節(jié)器，構成計算機閉環(huán)系統(tǒng)，并對調節(jié)器的參數(shù)進行整定，使之具有滿意的動態(tài)性能8.3對系統(tǒng)采用積分分離 PID 控制，并整定調節(jié)器的參數(shù)

19、目標及要求：1）學習并熟悉常規(guī)的數(shù)字PID 控制算法的原理；2）學習并熟悉積分分離PID 控制算法的原理；3）掌握具有數(shù)字PID 調節(jié)器控制系統(tǒng)的實驗和調節(jié)器參數(shù)的整定方法。9、實驗三：離散化方法研究實驗（2 學時）（支撐教學目標4）9.1利用實驗箱，設計一個數(shù)?；旌戏抡娴挠嬎銠C控制系統(tǒng)，并利用 D(S)離散化后所編寫的程序對系統(tǒng)進行控制9.2研究采樣周期變化時，不同離散化的方法對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響9.3對上述連續(xù)系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能作比較研究目標及要求：1）學習并掌握數(shù)字控制器的設計方法；2）熟悉將模擬控制器D(S)離散為數(shù)字控制器的原理與方法；3）通過數(shù)模混合實驗，對 D(S

20、)的多種離散化方法作比較研究，并對 D(S)離散化前后閉環(huán)系統(tǒng)的性能進行比較，以加深對計算機控制系統(tǒng)的理解。10、實驗四：最少拍控制算法實驗（2 學時）（支撐教學目標3）10.1設計并實現(xiàn)具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍控制10.2 設計并實現(xiàn)具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍無紋波控制，并通過混合仿真實驗，觀察該閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出采樣點間紋波的消除目標及要求：1）學習并熟悉最少拍控制器的設計和算法；2）研究最少拍控制系統(tǒng)輸出采樣點間紋波的形成；3）熟悉最少拍無紋波控制系統(tǒng)控制器的設計和實現(xiàn)方法。三、教學方法在教學方式上，根據(jù)具體教學內容，綜合運用課堂講授和演示、課堂討論、課堂練習、發(fā)現(xiàn)學習法

21、和自學指導法， 通過引入問題和啟發(fā)式教學，使學生更加明確教學內容的知識體系， 引導學生主動學習， 激發(fā)內在學習動機， 提高課堂的積極性。在目前的實驗教學條件基礎上，及時采用實驗練習法， 強化所學知識的理解和運用， 培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。在實驗教學過程中， 引導學生發(fā)現(xiàn)問題，思考解決方案，為后續(xù)教學內容作鋪墊。教學內容體系、前后關聯(lián)和相關重點穩(wěn)定性、過渡過程、穩(wěn)態(tài)誤差（9學時）可控性、可測性（ 3學時）基本概念，香濃采樣定理，零Z傳遞函數(shù)與差分方程（ 14學時）系統(tǒng)性能階保持器，采樣周期（ 3學時）狀態(tài)空間表示（ 9學時）計算機控制系統(tǒng)數(shù)學模型控制器設計實驗 2：數(shù)字 PID （2學時）實

22、驗 1： A/D與 D/A（ 2學時）實驗 3：控制器的離散化（2學時）實驗 4：最少拍控制（2學時）離散化設計：最少拍控制器（12學時）模擬化設計： PID控制（ 14學時）結合具體教學內容，本課程所采用的教學方法說明如下：1. 計算機控制系統(tǒng)概論。 教學內容主要是對于所學課程的概述性介紹以及計算機控制系統(tǒng)中的關鍵技術 信號的采樣與恢復。 在教學中采用 講授法、演示法、討論法和實驗練習法 相結合，將抽象問題具體化， 增加學生對于課程學習的興趣。在講授原理的基礎上， 通過一些實際工程例子， 加深學生對于計算機控制系統(tǒng)的認識以及對于采樣周期的選擇原則； 通過實驗一使得學生對于 A/D 與 D/A

23、 技術有一個更直觀的概念； 此外，鼓勵學生結合相關所學知識來談一談計算機控制技術的興起對于我們生活的改變以及其未來的發(fā)展趨勢。2. 計算機控制系統(tǒng)的分析和線性離散系統(tǒng)狀態(tài)空間分析。 教學內容與前置課程（自動控制原理、 現(xiàn)代控制理論） 具有一定的關聯(lián)性。 在教學中采用 講授法、演示法和討論法 相結合。在講授系統(tǒng)性能指標基礎上， 通過演示簡單的數(shù)值算例，加深學生對于各性能指標的認識。 此外，在課程中引導學生思考和討論離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)在個性能指標的計算上有何異同，以及兩者在狀態(tài)空間表示上的差異，加深學生對于離散系統(tǒng)的理解和認識。3. Z 變換及 Z 傳遞函數(shù)。 教學內容涉及較多的定理定義和理論推導，內容比較抽象，且具有一定的難度。教學中采用 講授法和發(fā)現(xiàn)學習法 相結合。例如，在開始教學時，我們僅基本 Z 變換和 Z 反變換部分分式法的基本原理和過程，然后通過例題引導學生發(fā)現(xiàn)齊次和分子帶有常數(shù)項的特殊解法， 從而加深學生對于定理定義的理解。發(fā)現(xiàn)學習法也可被用于差分方程求解、 Z 傳遞函數(shù)，初值、終值定理的教學環(huán)節(jié)中。4.計算機控制系統(tǒng)的離散化設計和模擬化設計。教學內容主要涉及離散系統(tǒng)下的控制器設計和實現(xiàn)， 具有一定的實際應用性。 教學中主要采用 講授法、實驗法和自學指導法 相結合。組織教學內容時，首先使學生掌握數(shù)字 PID 和最少拍控制器的基