《計算機控制技術(shù)》教學大綱

《計算機控制技術(shù)》教學大綱課程編號：13180418英文名稱：ComputerControl學分：2學時：總學時40學時，其中理論24學時，實踐16學時先修課程：自動控制原理，傳感器與檢測原理，單片機原理及應(yīng)用課程類別：專業(yè)拓展課程授課對象：電氣工程及其自動化專業(yè)學生教學單位：機械與電氣工程學院修讀學期：第6學期一、課程描述和目標本課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)拓展課程，結(jié)合離散控制系統(tǒng)原理、單片機/PLC技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)，以實際工程應(yīng)用為導(dǎo)向，介紹計算機控制系統(tǒng)分析、設(shè)計方法，以及運用相關(guān)理論和方法來解決工業(yè)實踐和科學研究中遇到的實際問題。目的是強化連續(xù)系統(tǒng)自動控制既得知識，深化教學內(nèi)容，使學生能解決各種實際計算機控制系統(tǒng)設(shè)計問題，特別是數(shù)據(jù)采集、機器人運動控制等方向的實際工程問題的能力。本課程擬達到的課程目標:課程目標1：掌握常用計算機控制系統(tǒng)的Z變換分析方法、離散控制技術(shù)及其穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能，用于控制系統(tǒng)方案設(shè)計、改進、建模和算法設(shè)計等復(fù)雜工程問題。課程目標2：掌握實際計算機控制系統(tǒng)采用的直接數(shù)值控制、連續(xù)域離散化設(shè)計和直接離散化設(shè)計等多種解決方案，以及其他典型的前沿控制策略，能夠借助文獻選擇替代的優(yōu)化方案。課程目標3：能運用計算機控制系統(tǒng)相關(guān)基本原理，借助文獻研究，分析自動化系統(tǒng)實施過程中的影響因素，通過歸納總結(jié)，分析、選擇恰當?shù)目刂颇Ｊ?、控制算法、設(shè)計方式和參數(shù)。二、課程目標對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標權(quán)重1.3能夠?qū)?fù)變函數(shù)與積分變換、最優(yōu)決策等相關(guān)知識和數(shù)學模型方法用于分析電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)工程問題；課程目標1M4.4能夠運用統(tǒng)計分析、電力系統(tǒng)分析或其他相關(guān)方法，對實驗結(jié)果進行分析，合理解釋實驗現(xiàn)象，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標2H12.1緊跟電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，認識到自主學習和終身學習的必要性。課程目標3L（注：要求課程目標與畢業(yè)要求指標點應(yīng)是一一對應(yīng)支撐）三、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配（一）理論教學序號教學內(nèi)容基本要求及重、難點（含德育要求）學時教學方式對應(yīng)課程目標1緒論計算機控制系統(tǒng)概念、組成、典型應(yīng)用、設(shè)計問題、可靠性問題和抗干擾問題基本要求：理解計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計算機控制系統(tǒng)的主要模式和優(yōu)缺點，掌握計算機控制實時操作的特點。重點難點：掌握計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用模式和特點。難點是區(qū)分計算機控制和模擬控制系統(tǒng)的異同。德育要求：歷史責任2集中講授文獻閱讀1、2、32過程通道模擬量/數(shù)字量的輸入輸出通道；ADC與DAC、采樣過程、信號調(diào)理基本要求：掌握計算機控制系統(tǒng)的通道類型；掌握采樣過程、采樣周期選擇及零階保持器；掌握信號的恢復(fù)和重構(gòu)、多路開關(guān)、采樣保持器、ADC和DAC的應(yīng)用。重點難點：模擬量的輸入輸出通道，以及ADC與DAC的應(yīng)用；難點是通道中信號的處理、調(diào)理及變換。德育要求：工匠精神4集中講授課后作業(yè)1、23數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)值控制基礎(chǔ)逐點比較法插補原理步進電機控制技術(shù)基本要求：理解計算機控制系統(tǒng)中直接數(shù)值控制的工作原理，掌握各種插補技術(shù)，理解數(shù)控機床中常見的步進電機的工作原理。重點是掌握直線插補技術(shù)和圓弧插補技術(shù)。重點難點：插補過程的偏差更新和進給反向。德育要求：實踐創(chuàng)新2集中講授課堂演示1、2、34控制系統(tǒng)的Z域分析Z變換和Z反變換求解差分方程Z傳遞函數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析法基本要求：掌握Z變換技術(shù)以及離散傳遞函數(shù)；理解離散系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域，掌握離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法，熟練使用勞斯判據(jù)、朱利判據(jù)；掌握離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析方法，熟練使用誤差系數(shù)計算穩(wěn)態(tài)誤差。重點難點：掌握線性離散系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù)以及穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差分析。難點是基于雙線性變換的勞斯變換、系統(tǒng)的跟蹤性能分析。德育要求：探索創(chuàng)新6集中講授課后作業(yè)1、25系統(tǒng)的連續(xù)-離散化設(shè)計傳遞函數(shù)的離散化方式位置式PID算法和增量型PID算法PID控制的改進PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定基本要求：掌握連續(xù)控制器的歐拉法、零極點匹配法等離散方法；掌握位置式和增量式PID控制算法；掌握數(shù)字PID在積分飽和和微分飽和情況下的改法、以及數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。重點難點：控制器離散化方式與PID算法，以及各種改進PID算法。難點：離散化方式和算法改進。德育要求：團結(jié)協(xié)作6集中講授課后作業(yè)1、2、36系統(tǒng)的直接離散化設(shè)計離散化設(shè)計準則和步驟最少拍控制系統(tǒng)的設(shè)計最少拍有紋波控制系統(tǒng)最少拍無紋波控制系統(tǒng)非最小相位系統(tǒng)的最小拍控制基本要求：掌握離散化直接設(shè)計的準則和設(shè)計步驟；掌握典型輸入信號作用下的最小拍控制器設(shè)計方法，連接其適應(yīng)性、物理可實現(xiàn)性以及紋波的處理；掌握非最小相位系統(tǒng)的最小拍控制器的設(shè)計。重點難點：有紋波/無紋波最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計；難點是非最小相位系統(tǒng)的最小拍設(shè)計。德育要求：服務(wù)社會4集中講授課后作業(yè)1、2、3合計24（二）課程實驗序號實驗項目實驗內(nèi)容與要求學時類型對應(yīng)課程目標1離散系統(tǒng)建模掌握離散系統(tǒng)差分方程模型；能夠基于Z變換技術(shù)完成給定系統(tǒng)的離散化，求解差分方程。2驗證1、22模擬量輸入通道掌握離散系統(tǒng)的模擬量輸入通道，能根據(jù)要求配置ADC參數(shù)，編寫VHDL程序，完成模擬量輸入ADC的轉(zhuǎn)換功能。3設(shè)計1、23離散系統(tǒng)特性分析掌握離散系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的分析方法；編寫程序，完成系統(tǒng)功能分析和比較。2驗證1、24PID及其改進算法掌握數(shù)字PID和模擬PID控制區(qū)別，理解不同離散化方法和采樣周期對數(shù)字PID影響。3驗證1、25步進電機數(shù)值控制掌握數(shù)字程序控制原理，熟悉步進電機及FPGA硬件資源的使用方法。3設(shè)計1、2、36直流電機閉環(huán)控制理解直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點；掌握采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響；掌握電機調(diào)速系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。3設(shè)計1,2,3合計16注：實驗要求包括必修、選修；實驗類型包括演示、驗證、綜合、設(shè)計等。四、課程教學方法（1）理論學習以集中授課的形式為主，線上與線下的課外討論為輔；（2）課程實驗以集中講解、上機操作的形式開展，通過實驗效果和實驗報告進行評價；（3）綜合項目以小組形式開展，課外分組完成，采用集中展示、答辯的方式評價。五、學業(yè)評價和課程考核（一）考核方式及具體要求序號教學環(huán)節(jié)課程目標1（分值）課程目標2（分值）課程目標3（分值）合計1平時作業(yè)1050152課程實驗5105203綜合項目555154期末考試25151050課程目標對應(yīng)分值453520100（二）考核與評價標準1.平時成績考核與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分作業(yè)按時完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對計算機控制系統(tǒng)的建模、分析、計算和解答正確，掌握基本知識點，理解充分。按時完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對計算機控制系統(tǒng)的建模、分析、計算和解答基本正確，掌握基本知識點，理解到位。延時完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對計算機控制系統(tǒng)的建模、分析、計算和解答有誤，了解基本知識點，認識到位。不交或補交，60%以下的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對計算機控制系統(tǒng)的建模、分析、計算和解答錯誤較多，不了解基本知識點，認識有偏差。2.課程實驗與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分實驗效果無遲到早退，實驗設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄規(guī)范，能采用多種合適的模型和程序完成實驗，能評價、鑒賞實驗結(jié)果的正確性及合理性。無遲到早退，實驗設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄比較規(guī)范，能采用合適的模型和程序完成實驗，能分析、判斷實驗結(jié)果的正確性及合理性。無遲到早退，實驗設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄基本規(guī)范，能采用可用的模型和程序完成實驗，能認識、界定實驗結(jié)果的正確性及合理性。遲到、不到或早退，實驗設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范，所采用的模型和程序不能完成預(yù)定目標或存在抄襲，不能判斷實驗結(jié)果的正確性及合理性。實驗報告格式規(guī)范，符合課程實驗報告寫作要求；內(nèi)容主題明確，有明確的針對實驗結(jié)果的分析和討論。格式符合課程實驗報告寫作要求；內(nèi)容主題明確，具有較好的針對實驗結(jié)果的分析和討論。格式符合課程實驗報告寫作要求；內(nèi)容主題基本明確，具有針對實驗結(jié)果的分析和討論。論文格式不符合課程實驗報告寫作要求，報告結(jié)構(gòu)不完整，分析和論證不清晰。3.綜合項目考核與評價標準分值觀測點90-100分70-89分60-69分0-59分現(xiàn)場演示能夠拓展理論知識評價、解決課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。匯報時能清楚表述系統(tǒng)原理，回答問題正確。能夠應(yīng)用理論知識分析、評價課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。匯報時能較清楚表述系統(tǒng)原理，回答問題正確。能夠利用理論知識描述、解釋課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。匯報時能表述系統(tǒng)原理，大部分問題回答正確。能夠根據(jù)理論知識認識、復(fù)述課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問題。匯報時能表述部分系統(tǒng)原理，能回答部分問題。項目報告比較、選取合適的系統(tǒng)建模和分析方法并根據(jù)實際問題加以改進、優(yōu)化。格式規(guī)范，符合寫作要求，主題明確，有明確的綜合分析論點。參考文獻充分、正文引用恰當，文獻引文格式符合文獻標準。無摘錄摘抄痕跡，能恰當運用自己的語言組織素材，論點正確。比較、選取合適的系統(tǒng)建模和分析方法應(yīng)用于實際問題。格式符合寫作要求，主題明確，具較好的綜合分析論點。參考文獻充分、正文能夠較好對文獻進行引用。正文主題大部分運用自己的語言組織素材，論點正確。采用可行的系統(tǒng)建模和分析方法應(yīng)用于實際問題。格式符合課程論文寫作要求，主題基本明確，具較好的綜合分析論點。文獻引文格式基本規(guī)范。正文有部分摘抄，論點分析比較清晰。采用的系統(tǒng)建模和分析方法不適用或抄襲他人成果。論文格式不符合要求，論文結(jié)構(gòu)不完整，論點分析不清晰。參考文獻少，正文沒有引用。格式不完全符合科技論文文獻標準。4.期末試卷考核與評價標準根據(jù)課程目標及教學內(nèi)容，設(shè)計期末考核試題，綜合檢驗學生對課程相關(guān)知識的掌握、綜合應(yīng)用及解決復(fù)雜問題的能力，根據(jù)考試題目設(shè)計相應(yīng)評分標準。注：(1)考勤不加分，但曠課1次扣平時分1分，扣滿5分為止；(2)期末總成績低于50分者，其總評成績?yōu)椴患案?。六、教材與參考書（一）推薦教材1．《計算機