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Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date计算机控制系统课程教学大纲计算机控制系统课程教学大纲计算机控制系统课程教学大纲课程名称：计算机控制系统课程代码：ELEA3042英文名称：Computer Control System课程性质：专业学位课程学分/学时：4学分/72学时(54+18)开课学期：第7学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：复变函数与积分变换、信号与系统、自动控制原理后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：杨歆豪大纲执笔人：杨歆豪大纲审核人：余雷一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：计算机控制系统是电气工程及其自动化专业的一门专业学位课程。本课程针对电气工程及其自动化专业的特点，以离散控制理论等基础知识为主，同时结合自动控制理论、现代控制理论和复变函数等概念，并且以实际应用为导向，培养学生熟练的运算能力及进行科学分析、归纳和总结的能力，提高分析问题和解决问题的能力，从而为以后的从事实际工作和科学研究奠定一定的基础。教学目标：计算机控制系统就是将计算机作为系统的控制器，从而实现对生产对象的有效控制，所以在本质上计算机控制讨论的就是系统的离散控制。本课程的主要内容包括：信号的离散和恢复，Z变换与Z反变换，差分方程及其求解，离散系统的传递函数、状态方程，系统的稳定性、过渡过程和稳态误差，系统的离散化设计和模拟化设计，数字PID技术和改进，离散系统的能控性和可测性。通过本课程的学习，要使学生了解和掌握计算机控制的基本概念、工作原理、初步分析、具有实用价值的设计方法，培养学生完成简单计算机控制系统构成、实时软件编制以及系统调试维护的基本能力，为毕业后参与计算机控制系统开发、调试和维护打下初步基础。本课程的具体教学目标如下：1. 了解计算机控制系统的定义、分类、结构和组成，较好的掌握香农采样定理和零阶保持器，理解计算机控制系统的本质是离散控制系统，从而掌握线性离散系统的数学描述（差分方程、Z传递函数）和分析方法（Z变换、Z反变换）；2. 领会S平面与Z平面的映射关系，掌握线性离散系统的稳定域，熟练灵活运用线性离散系统的稳定性判据，能够利用Z传递函数分析离散系统的过渡过程特性和离散系统的误差特性，能够利用系统的离散状态方程和输出方程分析系统的能控性和可测性；3. 了解离散化设计方法的基本思路，重点掌握最少拍设计方法及其改进算法那，掌握数字控制器计算机程序实现的三种方法：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法，会应用这三种方法得到数字控制器的差分方程表达式；4. 了解计算机控制系统的模拟化设计思路及其成立的条件，掌握模拟控制器的各种离散化方法，并会用来求解数字控制器，重点掌握数字PID控制方法，了解数字PID控制的各种改进方法以及参数整定方法。5. 了解并掌握基于差分方程和Z传递函数的离散状态空间表达式建立过程，掌握线性定常系统状态方程和输出方程的离散化方法，掌握离散系统的特征方程以及状态方程与传递函数距阵的关系，了解线性离散系统离散状态方程的求解方法。教学目标与毕业要求的对应关系：毕业要求指标点课程目标对应关系说明毕业要求1：工程知识1-2掌握自动控制、计算机、检测技术与仪表的基础知识，能用于自动化系统的反馈和控制问题教学目标1理解计算机控制系统的基本概念及其数学仿真模型表述（差分方程、传递函数），并能从实际应用出发理解信号的离散和恢复（香浓采样定理和零阶保持器）。毕业要求3：设计/开发解决方案3-1 能针对复杂问题进行调研并明确约束条件，完成电气或自动化系统的软硬件需求分析教学目标3基于离散化设计思路将最少拍控制器设计方法用于计算机控制系统的控制中。教学目标4通过模拟化设计思路，能采取合理的离散化方法对所设计的模拟控制器进行离散化；能够将数字PID技术用于计算机控制系统中。毕业要求6：工程与社会6-2 理解电气工程对工业自动化、智能制造和社会进步的影响，并理解电气工程实践承担的社会责任教学目标5由于现代工业被控对象基本上属于多输入多输出，非零初始条件系统，所以将状态空间表示法引入计算机控制系统中，尝试解决一些复杂的实际工程问题。毕业要求7：环境和课持续发展7-2能针对实际自动化项目，评价效率，制订安全防范措施，判断产品可能对人类造成的损害，并能够表达自己见解与认知教学目标2从系统的稳定性，动态、静态性能指标以及能控性、可测性的角度出发，提高系统的控制性能和安全系数。二、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容。重点内容：«；难点内容：）1、计算机控制概论 （3 学时）（支撑教学目标1）1.1 计算机控制系统概述1.1.1 计算机控制系统的一般概念1.1.2 计算机控制系统的组成1.1.3 计算机控制系统的分类 1.1 4 计算机控制系统的特点1.2 信号的采样与恢复1.2.1 信号的采样过程（香农采样定理）1.2.2 信号的恢复过程（零阶保持器）1.3 计算机控制系统发展趋势Ø 目标及要求：1）掌握自动控制系统的基本结构形式、主要构成环节、系统的结构图，掌握计算机控制系统的定义、主要构成环节、系统的结构图，掌握计算机控制系统中计算机的作用；2）掌握计算机控制系统的组成、相互关系及其在计算机控制系统中的作用，掌握过程通道在计算机控制系统中的作用和过程通道的基本类型；3）掌握根据计算机控制系统中的控制功能和控制目的计算机控制系统的分类及其与与一般模拟控制系统相比具有的优点；4）掌握什么是采样过程，掌握采样开关是实现采样过程的关键，掌握香农（shannon）采样定理，掌握采样周期选择的几个原则；«5）知道采样保持器是将数字序列恢复乘连续信号的装置，掌握零阶保持器和一阶保持器的时域表示形式，会推导零阶保持器的传递函数，知道计算机控制中最广泛采用的是零阶保持器。«Ø 讨论内容：结合本学科的相关专业知识，讨论计算机控制系统的发展趋势。2、Z变换及Z传递函数（14学时）（支撑教学目标1）2.1 Z变换定义与常用信号Z变换2.1.1 级数求和法2.1.2 部分分式法2.1.3 常用信号的Z变换2.2 Z变换的性质和定理2.3 Z反变换2.3.1 部分分式法2.3.2 留数法2.4 线性定长离散系统的差分方程及其求解2.5 Z传递函数2.5.1 Z传递函数的定义2.5.2 Z传递函数的求法2.5.3 开环Z传递函数2.5.4 闭环Z传递函数2.5.5 Z传递函数的物理可实现性Ø 目标及要求：1）掌握Z变换和Z反变换的定义，掌握级数求和法和部分分数法计算Z变换的方法，掌握并会应用长除法、部分分式法和留数法计算Z反变换；«2）掌握Z变换的线性定理、滞后定理和超前定理，掌握Z变换的初值定理和终值定理，并会应用初值定理和终值定理计算初值和终值，初步掌握Z变换的卷积定理、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线性定常离散系统的工具，差分方程是离散系统时域分析的基础，计算机控制系统本质是离散系统，会熟练求解差分方程；4）掌握Z传递函数的定义及其与脉冲响应函数的关系，掌握根据控制系统的传递函数G(s)求Z传递函数的步骤，并会根据该步骤计算Z传递函数；«5）掌握串联环节、并联环节的Z传递函数的计算方法，了解闭环Z传递函数结构形式的多样性，能够推导结构简单的离散系统的闭环Z传递函数，理解系统物理可实现性的概念。Ø 作业内容：1、Z变换和Z反变换2、初值定理和中值定理3、差分方程求解4、系统闭环传递函数求解3、计算机控制系统的分析（9 学时）（支撑教学目标2）3.1 离散系统的稳定性分析3.1.1 离散系统稳定的充要条件3.1 2 Routh稳定判据3.2 离散系统的过渡响应分析3.3 离散系统的稳态准确度分析Ø 目标及要求：1）了解S平面与Z平面之间的相互映射关系，掌握离散系统稳定的充要条件和Routh稳定判据，能熟练判定离散系统的稳定性；«2）掌握控制系统的过渡过程的定义，掌握离散系统的时间响应与各个极点时间响应的关系，掌握离散系统的Z传递函数与单位脉冲响应函数的关系，会求解系统的输出；«3)了解连续系统稳态误差计算的方法，会推导单位负反馈离散系统的闭环误差Z传递函数，并根据此应用终值定理求稳态误差，掌握在给定传递函数的基础上，计算系统在单位阶跃输入、单位速度输入、单位加速度输入下系统的稳态误差。Ø 讨论内容：与自动控制原理所学内容进行比较，分析连续系统和离散系统在计算系统控制性能时的不同之处。Ø 作业内容：1、系统稳定性分析和参数待定2、求解系统的输出3、稳态误差计算4、计算机控制系统的离散化设计（12 学时）（支撑教学目标3）4.1 最少拍计算机控制系统的设计4.1.1 基本概念4.1.2 广义最少拍控制器设计4.1.3 无波纹最少拍控制器设计4.2 数字控制器的计算机程序实现4.2.1 直接程序法4.2.2 改进型直接程序法4.2.3 串行程序法4.2.4 并行程序法Ø 目标及要求：1）理解离散化设计的基本思路，掌握最少拍设计的定义，掌握在典型输入下，最少拍数字控制器的确定；«2）了解最少拍系统的不足之处，会设计广义最少拍控制器和无波纹最少拍控制器；3）掌握数字控制器计算机程序实现的三种方法：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法，会应用这三种方法得到数字控制器的差分方程表达式。Ø 作业内容：1、最少拍控制器设计2、控制器程序框图及控制器的差分方程表达5、计算机控制系统的模拟化设计（14 学时）（支撑教学目标4）5.1 概述5.2 模拟控制器的离散化方法5.2.1 冲激不变法5.2.2 加零阶保持器的Z变换法5.2.3 差分变换法5.2.4 双线性变换法5.3 数字PID控制5.3.1 PID控制的基本形式及数字化5.3.2 数字PID控制器的控制效果5.3.3 数字PID控制算法5.4 数字PID控制算法的改进5.4.1 积分分离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 带死区的PID控制5.4.5 抗积分饱和PID算法5.5 数字PID控制器的参数整定Ø 目标及要求：1）了解计算机控制系统的模拟化设计基本思路和适用条件，掌握模拟化设计方法的一般步骤，重点掌握零阶保持器对输出的影响；2）掌握模拟控制器的离散化方法，包括：冲激不变法、加零阶保持器的Z变换法、后向/前向差分变换法和双线性变换法，会用这些方法求解离散化的控制器；3）掌握PID控制器的定义，掌握数字PID控制器的Z传递函数，掌握比例调节器、掌握比例积分调节器、比例积分微分调节器的控制作用特点，掌握数字PID控制算法的位置式算法和增量式算法；«4）掌握改进PID算法的基本原理和设计思路，包括：积分分离PID、不完全微分PID、微分先行PID、带死区的PID、抗积分饱和PID；5）掌握数字PID控制的比例系数、积分时间和微分时间对系统的动态特性和稳态性能的影响，掌握应用试凑法、扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的PID参数整定步骤。Ø 作业内容：模拟控制器的离散化方法Ø 自学拓展：查阅相关文献，结合所学PID相关知识，撰写与PID相关的科技报告。6、线性离散系统状态空间分析（12 学时）（支撑教学目标2和教学目标5）6.1 线性离散系统状态空间表达式 6.1.1 由差分方程导出离散状态空间表达式 6.1.2 由Z传递函数建立离散状态空间表达式 6.2 连续状态方程的离散化6.3 线性离散散系统的传递函数矩阵和特征值6.4 线性离散系统性能分析6.4.1 稳定性6.4.2 可控性6.4.3 可测性Ø 目标及要求：1）掌握由差分方程求解状态方程的方法，掌握由并行程序法、串行程序法和直接程序法求状态方程的方法；2）掌握连续状态方程的离散化方法；3）掌握线性定常系统的状态方程和输出方程的一般形式，掌握离散系统的特征方程，掌握状态方程与传递函数距阵的关系，知道特征方程的为特征值，也为系统的极点；«4）掌握并应用基于状态空间表达式的线性离散系统稳定的充要条件，掌握系统可控性、可测性的含义，掌握并应用线性离散系统的可控性、可测性的充要条件。«Ø 讨论内容：状态空间表示法与传递函数的不同之处。Ø 作业内容：1、状态方程及输出方程的表示2、基于状态空间表示的稳定性、可控性和可测性7、实验一：A/D与D/A转换（2学时）（支撑教学目标1）7.1 实验平台“THKKL6”试验箱基本操作7.2 典型模拟信号（阶跃信号、斜坡信号）的离散化Ø 目标及要求：1）了解实验平台的结构和基本使用方法，包括电源、基本元器件、Easy 51Pro软件和虚拟示波器等；2）了解模拟通道中模数转换与数模转换的实现方法和结果。8、实验二：数字PID调节器算法研究实验（2学时）（支撑教学目标4）8.1 利用本实验箱，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统8.2 采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能8.3 对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数Ø 目标及要求：1）学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理；2）学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；3）掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。9、实验三：离散化方法研究实验（2学时）（支撑教学目标4）9.1 利用实验箱，设计一个数模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)离散化后所编写的程序对系统进行控制9.2 研究采样周期变化时，不同离散化的方法对闭环控制系统性能的影响9.3 对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究Ø 目标及要求：1）学习并掌握数字控制器的设计方法；2）熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法；3）通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。10、实验四：最少拍控制算法实验（2学时）（支撑教学目标3）10.1 设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制10.2 设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除Ø 目标及要求：1）学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；2）研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；3）熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。三、教学方法在教学方式上，根据具体教学内容，综合运用课堂讲授和演示、课堂讨论、课堂练习、发现学习法和自学指导法，通过引入问题和启发式教学，使学生更加明确教学内容的知识体系，引导学生主动学习，激发内在学习动机，提高课堂的积极性。在目前的实验教学条件基础上，及时采用实验练习法，强化所学知识的理解和运用，培养学生解决实际问题的能力。在实验教学过程中，引导学生发现问题，思考解决方案，为后续教学内容作铺垫。教学内容体系、前后关联和相关重点结合具体教学内容，本课程所采用的教学方法说明如下：1. 计算机控制系统概论。教学内容主要是对于所学课程的概述性介绍以及计算机控制系统中的关键技术信号的采样与恢复。在教学中采用讲授法、演示法、讨论法和实验练习法相结合，将抽象问题具体化，增加学生对于课程学习的兴趣。在讲授原理的基础上，通过一些实际工程例子，加深学生对于计算机控制系统的认识以及对于采样周期的选择原则；通过实验一使得学生对于A/D与D/A技术有一个更直观的概念；此外，鼓励学生结合相关所学知识来谈一谈计算机控制技术的兴起对于我们生活的改变以及其未来的发展趋势。2. 计算机控制系统的分析和线性离散系统状态空间分析。教学内容与前置课程（自动控制原理、现代控制理论）具有一定的关联性。在教学中采用讲授法、演示法和讨论法相结合。在讲授系统性能指标基础上，通过演示简单的数值算例，加深学生对于各性能指标的认识。此外，在课程中引导学生思考和讨论离散系统与连续系统在个性能指标的计算上有何异同，以及两者在状态空间表示上的差异，加深学生对于离散系统的理解和认识。3. Z变换及Z传递函数。教学内容涉及较多的定理定义和理论推导，内容比较抽象，且具有一定的难度。教学中采用讲授法和发现学习法相结合。例如，在开始教学时，我们仅基本Z变换和Z反变换部分分式法的基本原理和过程，然后通过例题引导学生发现齐次和分子带有常数项的特殊解法，从而加深学生对于定理定义的理解。发现学习法也可被用于差分方程求解、Z传递函数，初值、终值定理的教学环节中。4. 计算机控制系统的离散化设计和模拟化设计。教学内容主要涉及离散系统下的控制器设计和实现，具有一定的实际应用性。教学中主要采用讲授法、实验法和自学指导法相结合。组织教学内容时，首先使学生掌握数字PID和最少拍控制器的基础应用，然后通过实验二、三和四培养学生的实际动手能力，提高其对于控制器设计过程的认识。由于课时有限，对于离散系统的控制器设计仅仅能涉及一些基本内容，要求学生根据其自身所感兴趣的具体应用，查阅相关参考资料，撰写与离散系统控制算法相关的科技论文一篇，从而引导学生自学拓展，强化对学生理论与实际结合的能力、工程问题分析能力的培养。在教学方法的实际执行过程中，每个教学环节都应具有明确的目的性。同时，以上教学方法需要根据教学过程中的实际效果、学生对知识点的掌握和应用情况不断改进。教学效果不好、学生对知识点理解程度不高时，应适当调整教学方法，适当增加演示法或实验训练法，或在讲授后续教学内容时，引导学生前后联系，结合前置难点内容进行讨论，强化知识掌握。在学生对知识掌握情况较好，系统性较好、实验训练效果较好的情况下，适当提高教学内容或实验内容的难度，或增加发现学习法和自学指导法，设置具体应用问题，引导学生探索解决方案。四、考核及成绩评定方式考核方式：闭卷笔试，平时测验及作业，实验报告成绩评定方式：期中成绩10%，平时成绩10%，实验报告20%，期末成绩60%五、教材及参考书目教材：姜学军，刘新国，李晓静. 计算机控制技术，清华大学出版社，2009.参考书目：1 何克忠. 计算机控制系统，清华大学出版社，2001.2 高金源. 计算机控制系统理论、设计与实现，北京航天航空大学出版社，2001.3 刘恩沧. 计算机控制系统分析与设计，华中科技大学出版社，2001.4 薛弘晔. 计算机控制技术，西安电子科技大学出版社，2003.5 杨劲松，张涛. 计算机工业控制，中国电力出版社，2003.6 杨立. 计算机控制与仿真，清华大学出版社，2006.7 施保华. 计算机控制技术，华中科技大学出版社，2007.2016年7月修订-