计算机控制技术课程教学大纲

课程名称：	计算机控制技术	课程模块编码：	6013A707
总学时数：	32	课内实践学时数：	4
学    分：	2	开课单位：	电信学院
先修课程：	高等数学、电路、电子技术、自动控制原理
适用专业：	电气工程及其自动化

 

一、课程性质、目的和任务

《计算机控制技术》课程是电气工程及其自动化专业学生专业任选课程之一。通过本课程学习，使学生能较系统地掌握计算机控制系统的基本概念、基本知识和设计方法，初步具备对工程对象进行计算机控制设计的能力，为以后的工作实践提供必要的理论基础。主要支撑毕业要求1.2、3.1、4.2、4.3、5.2达成。

通过本课程的学习，达到以下培养目的：

1、工程知识

能较系统地掌握计算机控制系统的基本概念、基本知识和设计方法，并能够将其用于解决电气控制领域的复杂工程问题。

2、问题分析

利用所学的计算机控制技术的基本知识，能够进行计算机控制系统的调试和维护。

3、设计/开发解决方案

初步具备对工程对象进行计算机控制设计的能力。

4、研究

能够针对设计开发活动中的未知问题自主选择实验或调试手段和内容，并根据实验现象或调试结果修改完善任务解决方案。

5、使用现代工具

能够使用MATLAB仿真工具，进行计算机控制技术的仿真。

 

表1 课程教学目标对专业毕业要求的支撑

 

二、教学内容及教学基本要求

第1章  绪论

1、教学要求

了解计算机控制系统的术语；了解计算机控制系统的特点；了解计算机控制系统的发展。

掌握计算机控制系统的组成；掌握计算机控制系统设计的基本理论；掌握计算机控制系统的分类。

2、教学内容

第一节 计算机控制系统概述、类型

知识要点：计算机控制系统的组成

第二节 计算机控制理论

知识要点：计算机控制系统设计的基本理论

第三节 计算机控制系统的分类和计算机控制系统的发展

知识要点：计算机控制系统的发展

3、本章重点、难点

本章重点：计算机控制系统的组成；计算机控制系统设计的基本理论；计算机控制系统的发展。

本章难点：计算机控制系统设计的基本理论。

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  计算机控制系统设计的硬件基础

1、教学要求

了解计算机控制系统中电源的不同要求；了解数字滤波的几种常见方法。

掌握计算机控制系统开关量输入、输出过程通道的基本设计要求；掌握数字输入、输出通道的结构；掌握各种电源的设计特点；掌握采样定理、采样重构、采样周期的选择。

2、教学内容

第一节 开关量输入、输出过程通道的一般结构

知识要点：计算机控制系统开关量输入、输出过程通道的基本设计要求

第二节 模拟量输入、输出通道的一般结构

知识要点：掌握数字输入、输出通道的结构

 

第三节 计算机控制系统中的电源

知识要点：各种电源的设计特点

第四节 信号采样与重构

知识要点：采样定理，掌握采样重构，掌握采样周期的选择

第五节 数字滤波

知识要点：数字滤波的几种常见方法

3、本章重点、难点

本章重点：计算机控制系统开关量输入、输出过程通道的基本设计要求；采样定理、采样重构、、采样周期的选择；各种电源的设计特点。

本章难点：数字输入、输出通道的结构。

4、本章学时数

本章教学时数：4学时，其中讲课4学时，实验(课内实践、上机)0学时。

第3章  计算机控制系统的数学基础

1、教学要求

了解差分方程的概念；了解Z变换的定义；了解脉冲传递函数的定义。

掌握差分方程的求解方法；掌握Z变换的性质和定理，掌握用Z变换解差分方程方法；掌握逆Z变换的求解方法；掌握脉冲传递函数与差分方程的互相转化，掌握开、闭环脉冲传递函数的求解。

2、教学内容

第一节 差分方程

知识要点：差分方程的求解方法

第二节 Z变换

知识要点：Z变换的性质和定理；用Z变换解差分方程方法

第三节 逆Z变换

知识要点：逆Z变换的求解方法

第四节 脉冲传递函数

知识要点：开、闭环脉冲传递函数的求解

3、本章重点、难点

本章重点：差分方程的求解方法；Z变换的性质和定理；用Z变换解差分方程方法；逆Z变换的求解方法；开、闭环脉冲传递函数的求解。

本章难点：开、闭环脉冲传递函数的求解。

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  计算机控制系统特性分析

1、教学要求

了解离散系统根轨迹的特点，了解系统频率特性。

掌握离散控制系统的稳定性条件；掌握线性离散系统的稳定性判据；掌握实数极点、复数极点对系统动态性能的影响；掌握不同类型系统稳态误差的求解。

2、教学内容

第一节 计算机控制系统的稳定性

知识要点：离散控制系统的稳定性条件；线性离散系统的稳定性判据

第二节 计算机控制系统的动态特性

知识要点：实数极点、复数极点对系统动态性能的影响

第三节 计算机控制系统的稳态误差

知识要点：系统稳态误差的求解

第四节 离散系统根轨迹和频率特性

知识要点：离散系统根轨迹和离散系统频率特性

3、本章重点、难点

本章重点：离散控制系统的稳定性条件；线性离散系统的稳定性判据；实数极点、复数极点对系统动态性能的影响；系统稳态误差的求解；离散系统根轨迹和离散系统频率特性。

本章难点：系统稳态误差的求解；离散系统根轨迹和离散系统频率特性。

4、本章学时数

本章教学时数：4学时，其中讲课4学时，实验(课内实践、上机)0学时。

第5章  计算机控制系统的间接设计方法

1、教学要求

了解计算机控制系统的基本设计方法；了解PID的离散化；了解PID控制规律；了解数字PID控制器的发展方向。

掌握差分法设计，理解z变换设计法；掌握二阶工程设计法，掌握增量式和位置式PID的算法，掌握积分饱和及其抑制方法；掌握数字PID算法的改进；掌握数字PID控制器参数的整定的方法。

2、教学内容

第一节 基本设计方法

知识要点：差分法设计，理解z变换设计法

第二节 数字PID控制器的设计

知识要点：二阶工程设计法

第三节 数字PID控制器算法的改进、发展

知识要点：数字PID算法的改进

第四节 数字PID控制器参数的整定

知识要点：数字PID控制器参数的整定的方法

3、本章重点、难点

本章重点：差分法设计，理解z变换设计法；二阶工程设计法；数字PID算法的改进；

本章难点：数字PID算法的改进；数字PID控制器参数的整定的方法。

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6章  计算机控制系统的直接设计方法

1、教学要求

了解直接设计方法的设计步骤；了解具有阻尼权因子的最少拍控制系统设计。

掌握理想情况下的最少拍控制器设计；掌握smith预估器的设计，掌握大林算法；掌握根轨迹设计方法；掌握数字控制器的频率特性；掌握W变换发的设计步骤。

2、教学内容

第一节 概述

知识要点：直接设计方法的设计步骤

第二节 最少拍控制系统设计

知识要点：最少拍控制器设计

第三节 纯滞后对象的控制算法

知识要点：smith预估器的设计

第四节 设计数字控制器的根轨迹法

知识要点：根轨迹设计方法

第五节 数字控制器的频率设计法

知识要点：数字控制器的频率特性

3、本章重点、难点

本章重点：直接设计方法的设计步骤；最少拍控制系统设计；smith预估器的设计；根轨迹设计方法；数字控制器的频率特性。

本章难点：smith预估器的设计。

4、本章学时数

本章教学时数：4学时，其中讲课4学时，实验(课内实践、上机)0学时。

第7章  数字控制器的状态空间设计方法

1、教学要求

了解线性系统的状态空间描述，了解线性定常离散系统的状态空间模型的建立；了解最优控制定义。

掌握离散动态方程与脉冲传递函数的关系；掌握线性定常离散系统的能观性，掌握线性定常离散系统能观性判据，掌握系统能控性、能观性的几个定理；掌握离散系统的输出反馈设计法；掌握应用状态观测器进行系统设计；掌握离散系统二次型最优控制设计。

2、教学内容

第一节 线性系统的状态空间描述及线性离散系统的状态空间

知识要点：线性定常离散系统的状态空间模型的建立；离散动态方程与脉冲传递函数的关系

第二节 线性定常离散系统的能控性和能观性

知识要点：系统能控性、能观性的几个定理

第三节 状态反馈设计法、输出反馈设计法

知识要点：离散系统的输出反馈设计法

第四节 状态观测器设计

知识要点：全维状态观测器的设计

第五节 二次型最优控制算法设计

知识要点：离散系统二次型最优控制设计

3、本章重点、难点

本章重点：线性定常离散系统的状态空间模型的建立；系统能控性、能观性的几个定理；离散系统的输出反馈设计法。

本章难点：系统能控性、能观性的几个定理。

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8章  计算机控制系统的工程设计

1、教学要求

了解控制策略和算法的确定，理解硬、软件设计方法。

掌握设计的方案确定步骤；掌握数字伺服系统的设计方法，掌握闭环数字调速系统设计步骤和方法，掌握电阻炉温度控制系统的设计步骤和方法，掌握数字程序控制系统的设计步骤和方法。

2、教学内容

第一节 计算机控制系统的设计步骤

知识要点：设计的方案和步骤

第二节 计算机控制系统的工程设计举例

知识要点：数字伺服系统的设计方法；闭环数字调速系统设计步骤和方法

3、本章重点、难点

本章重点：设计的方案和步骤；数字伺服系统的设计方法；闭环数字调速系统设计步骤和方法。

本章难点：数字伺服系统的设计方法。

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9章  新型计算机控制系统

1、教学要求

了解嵌入式系统、集散控制系统、现场总线控制系统、网络控制系统等新型控制系统的特点。掌握嵌入式系统、集散控制系统、现场总线控制系统、网络控制系统等新型控制系统的应用场合。

2、教学内容

第一节 常见新型计算机控制系统

知识要点：嵌入式系统、集散控制系统、现场总线控制系统、网络控制系统等新型控制系统的应用场合。

3、本章重点、难点

本章重点：嵌入式系统、集散控制系统、现场总线控制系统、网络控制系统等新型控制系统的应用场合。

本章难点：嵌入式系统、集散控制系统、现场总线控制系统、网络控制系统等新型控制系统的应用场合。

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10章  计算机控制系统的可靠性设计

1、教学要求

了解提高计算机控制系统可靠性的措施；了解干扰的几种形式；了解故障类型和故障诊断的任务。

掌握计算机控制系统几种常见的抗干扰措施设计；掌握信号传输通道常见的抗干扰措施设计；掌握故障冗余系统以及可靠性。

2、教学内容

第一节 概述

知识要点：提高计算机控制系统可靠性的措施

第二节 干扰的来源

知识要点：干扰的几种形式

第三节 抗干扰措施

知识要点：控制系统几种常见的抗干扰措施设计

第四节 信号传输通道的抗干扰措施

知识要点：信号传输通道常见的抗干扰措施设计

第五节 系统可靠性设计

知识要点：可靠性的度量方法

3、本章重点、难点

本章重点：干扰的几种形式；控制系统几种常见的抗干扰措施设计；可靠性的度量方法。

本章难点：控制系统几种常见的抗干扰措施设计。

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。

 

三、课内实践环节教学安排及要求

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

建议本课程采用交流与分享策略、鼓励创新思维的教学策略，有效调动学生的学习积极性。

建议本课程在教学中运用多媒体教学手段，增加学生的学习兴趣，使学生易于理解掌握所授知识。

五、课程考核方式及要求

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“平时考核+结课考试”考核模式

总评成绩构成：平时考核（60）％；结果考核（40）％；

平时成绩构成：考勤考纪（30）％；习题作业（30）％；实验（30）％笔记（10）％

 

六、建议教材及参考资料

建议教材：

《计算机控制系统》第二版，李元春主编，高等教育出版社，2007年版

参考资料：

1．《计算机控制系统》，高金源，夏洁主编，清华大学出版社，2007年版

2．《计算机控制技术》，孙廷玉主编，东北大学出版社，2000年版

 

 

七、大纲说明

本教学大纲是根据《辽宁科技学院本科课程教学大纲制定及管理办法（试行）》的要求而编制，教学大纲仅作为指导和参考，而不作为约束教师的法规，要鼓励教师进行教学改革，教师可以根据课程的特点，针对学生的情况，对内容进行补充和修改。

 

执   笔   人：李润生

参加研讨人员：鲁永久、高长伟

审   核   人：关大陆

审   批   人：赵双元