计算机控制技术教案

精品文库青岛大学教案学 院： 自动化工程学院 教 研 室： 控制系 课程名称： 微型计算机控制技术 任课教师： 丁军航 青岛大学教务处 制欢迎下载1.课程性质：该课程是青岛大学自动化专业、电气工程及其自动化专业的主干专业课程，也是电子信息工程、计算机应用等专业的选修课，理论性、应用性、实践性和综合性强。2.学习目的和要求 目的:通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的理论与技术，受到较好的工程实践基本训练，具有分析、设计、开发和研究计算机控制系统的基本能力。 要求:（1）了解计算机控制系统的组成、接口和过程通道设计的基本知识；（2）掌握数字程序控制的基本原理和程序编制；（3）掌握常规及复杂控制策略、应用程序设计与实现技术；（4）学会计算机控制系统的硬件、软件设计与研制方法；（5）初步了解分散型测控网络技术和现场总线技术。3.选用教材与课程地位（1）本课程选用的教材，由本课程组编写，是国家级“十一五”规划教材，由机械工 业出版社 2007 年 6 月出版（2）本课程曾选用的教材，也由本课程组编写，2002 年获全国高等学校优秀教材二等 奖。由清华大学出版社出版，先后印刷 21 次，发行量近 12 万册，被许多高校选作教材，在 国内产生了很大影响。（2）本课程于 2004 年被评为山东省精品课程。4.内容简介全书共分 9 章。第 1 章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典 型型式、计算机控制系统的发展概况和趋势；第 2 章讨论了计算机控制系统的硬件设计技术； 第 3 章讨论了数字控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理、多轴步进驱动控制技术和多 轴伺服驱动控制技术；第 4 章讨论了常规及复杂控制技术，主要介绍了数字控制器的各种控 制算法；第 5 章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配 置设计法、最优化设计法；第 6 章讨论了先进控制技术，重点介绍了模糊控制技术、神经网 络控制技术、专家控制技术和预测控制技术；第 7 章计算机控制系统的软件设计技术；第 8 章讨论了分布式测控网络技术；第 9 章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现， 并给出了设计实例。书中配有习题可供选用。全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，系 统性和实践性强。精品文库第 1 次课 3 学时章节1.1 计算机控制系统概述1.2 工业控制机的组成结构及特点讲授主要内容计算机控制系统的工作原理；实时，在线，离线的含义 计算机控制系统的五种典型形式 控制系统的总线结构：内部总线和外部总线重点 难点1.关于实时系统的理解实时指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，这里输入、计算、 输出实际是指计算机控制系统的三个步骤；另外，一定的时间范围则是指本次采样的 计算结果输出需在下一个采样时刻到来之前完成，针对不同的系统，该时间范围肯定 是有区别的。2.区分内部总线与外部总线 内部总线是指计算机内部模块之间的通讯；而外部总线是指计算机与外部设备之间的通讯。要求掌握 知识 点 和 分析方法1.计算机控制系统的定义，以及实时、在线、离线的含义，进行课堂讨论和举例2.计算机控制系统的五种典型形式，并分析各种形式的优缺点，对结构框图进行分析3.工业控制机的组成和总线结构教授思路， 采 用的教 学 方法 和 辅助手段， 板书设计， 重点 如何 突出，难点 如何解决， 师 生 互 动 等本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到原理图，结构框图皆投影可得，减少了课上绘图所需时间。不需要设计板书。1.依据计算机控制系统原理图（图 1.1）和组成框图（图 1.2），说明：计算机控 制系统由工业控制机和生产过程两部分组成；在本质上，将计算机控制系统的工作原 理归纳为三个步骤：实时数据采集、实时控制决策以及实时控制输出。采用比较和提问的方式，理解在线，离线和实时的含义。2.针对五种计算机控制系统的典型形式，给出相应的系统框图，指出实现自动控 制的过程，并且给出每种典型形式各自的优缺点。3.了解工业控制机的组成和总线结构，并重点分析外部总线：RS-232C 串行通讯总线与 IEEE-488 并行通讯总线。4.让学生了解学科的发展概况、发展方向以及发展趋势是专业课教育的必要所在， 因此，对于这部分内容，不但在课上带学生一块熟悉教材内容，同时，给学生指出相 应的参考书籍、期刊和网站，鼓励学生对专业知识做进一步的探讨。作业布置1.1 ，1.2，1.4补充作业：将所阅读的参考书籍、期刊和网站的部分内容进行总结，写出自己对该课 程或者学科发展的认识。主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社微型计算机控制技术，谢剑英，国防工业出版社工业过程控制工程，王树青，化学工业出版社备注精品文库章节2.1 总线技术讲授主要内容总线的定义、层次结构及种类串行外部总线简介 总线扩展技术基于 ISA 总线端口扩展重点 难点1. 总线的定义2. 总线扩展技术3. 基于 ISA 总线端口扩展要求掌握 知识点和 分析方法1. 总线的定义2. 总线扩展技术3. 基于 ISA 总线端口扩展教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到电路图皆投影而 得，减少了课上绘图所需时间。不需要设计板书。该部分内容与微型计算机接口技术及应用有相似之处，故接口电路分析较为 容易，学生容易接受和理解。难点在于输入调理电路和输出驱动电路。通过图 2.4，2.5 和图 2.7，2.8 进行详细的分析，尤其重视分析电路中各部分器件的作用。A/D 转换器及其接口技术，属于微型计算机接口技术及应用数据采集卡内容， 重点在于与 PC 总线的连接电路，以及相应的控制转换和数据读取程序。在分析芯片 ADC0809 与 ADC574A 之后，即可由接口电路图的连接方式，写出相应程序。教材中所给程序为 8086 汇编语言程序，鼓励学生将其写成 C 语言程序（参考第六章第一节，高级语言编程）。作业布置2.2，2.3，2.4主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社微型计算机接口技术及应用，刘乐善，华中科技大学出版社电力电子技术，王兆安，机械工业出版社备注章节2.3 模拟量输入通道2.4 D/A 转换器及其接口技术2.5 模拟量输出通道讲授主要内容模拟量输入通道的组成无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路 采样、量化及常用的采样保持器 模拟量输入通道设计D / A 转换器及其接口技术 V/I 变换和自动/手动切换 模拟量输出通道设计重点 难点1.无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路2.采样、量化及采样保持原理3.模拟量输入通道设计及 8 通道数据采集程序设计4.单极性与双极性电压输出电路要求掌握 知识点和 分析方法1.无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，电路分析2.模拟量输入通道设计及 8 通道数据采集程序设计，程序分析3.D/A 转换器及其与 PC 总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序分析4.8 通道模拟量输出电路设计，程序分析教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到电路图皆投影而得，减少了课上绘图所需时间。不需要设计板书。无源 I/V 变换电路与有源 I/V 变换电路，介绍教材中出现的两个电路，难度都不大，需要注意的是电路中各个元件的作用；采样的采样过程由教材图 2.21 描述，信号的采样频率由香农采样定理给出；量化及 量化单位，量化误差描述了 A/D 转换器把模拟量转换为数字量的数学过程；采样保持 器的作用是为了保证 A/D 转换期间输入恒定。模拟量输入通道设计原理图由图 2.25 给出，在分析该模板采集一个数据的四步过程以后，写出 8 通道数据采集汇编语言程序。简单分析 D/A 转换器及其与 PC 总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序，以 此为基础，设计模拟量输出通道。强化单极性与双极性电压输出电路分析，做出更详细的电路图。该部分内容与微型计算机接口技术及应用有相似之处，故接口电路分析较为容易，学生容易接受和理解。教材中所给程序为 8086 汇编语言程序，同样鼓励学生将其写成 C 语言程序（参考第六章）。作业布置2.5，2.6，2.10，2.12主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社微型计算机接口技术及应用，刘乐善，华中科技大学出版社备注精品文库青岛大学教案（理论教学用）第4 次课3 学时章节2.6 硬件抗干扰技术讲授主要内容串模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法 长线传输干扰及其抑制方法 CPU 抗干扰技术接地技术重点 难点1.共模干扰及其抑制方法2.长线传输干扰与匹配电阻3.CPU 抗干扰技术要求掌握知识点和 分析方法1.共模干扰及其抑制方法2.长线传输干扰与匹配电阻3.CPU 抗干扰技术教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等1.首先阐述干扰的含义和来源，描述干扰的危害。以作过的实际项目在现场碰到的各 种问题，指出未考虑干扰所引起的后果以及需要注意的方面（比如电源、接地、模拟 量输入、数字量的输入输出隔离、串行通信接口等）2.串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。串模干扰的抑制方法应从干扰信号的特性和来源入手，分别对不同情况采取相应的措施。3.共模干扰：所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。通过分析 被测信号的输入方式，来指出共模干扰的引入和抗共模干扰能力。共模干扰的抑制方 法有变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。4.长线传输干扰与匹配电阻信号在长线中传输遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制 到最低限度。终端匹配始端匹配5.CPU 抗干扰技术：计算机控制系统的 CPU 抗干扰措施常常采用 Watchdog(俗称看门 狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等方法。微处理器监控电路 MAX1232 具有(1)电源监控、(2)按钮复位输入、(3)监控定时器(Watchdog)功能。6.接地技术：分析地线系统，由图 2.55 描述回流法接地。分析在计算机控制系统中的低频接地技术。作业布置2.14，2.15主要参考资料单片机系统的硬件抗干扰技术, 杨秀敏, 微处理机, 1996/04智能仪器的抗干扰技术, 高辉, 工业仪表与自动化装置, 2000/04 微机测控系统中几种抗干扰技术, 罗文广, 测控技术, 1997/06 工业控制计算机的抗干扰技术, 陈勇, 工业控制计算机, 1996/05欢迎下载精品文库第5 次课 3学时章节3.1数字程序控制基础3.2逐点比较法插补原理讲授主要内容数字程序控制原理数字程序控制方式 逐点比较法直线插补 逐点比较法圆弧插补重点 难点1.数字程序控制原理2.逐点比较法直线插补3.逐点比较法圆弧插补要求掌握知识点和 分析方法1.数字程序控制原理，利用平面图形的重现，来分析程序控制原理；2.逐点比较法直线插补3.逐点比较法圆弧插补教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加 工机床)按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的 自动控制。首先分析图 31 所示的平面图形，利用计算机在绘图仪上重现，来简要说明数字程序控制的基本原理，以及脉冲当量（步长）的含义。所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进 行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下 一步的进给方向。由第一象限直线表达式，推倒出相应的偏差计算公式，并给出偏差 判别公式 Fmymxe-xmye，由 FM 的值，判断相应的进给方向。利用教材上的例题，演示 直线插补的过程，规定好必要的步骤。根据直线插补的程序流程，写出插补的程序。讲完以上内容以后，第二节课大约还有 20 分钟时间，修改例题（比如改为第二象 限），让学生当堂完成，可以查书，可以讨论。理解插补原理。逐点比较法圆弧插补较逐点比较法直线插补要麻烦许多。但是整个的分析过程还 是有很多的相似之处。不同点在于，当计算偏差判别公式 Fm 的值的时候，需要计算和 保存动点坐标。而且，圆弧即使在一个象限，还存在逆弧和顺弧的差异。分析教材例 题，说明圆弧插补的过程。根据圆弧插补的程序流程，写出插补的程序。作业布置3.2，3.4，3.5主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社数字控制技术，叶蓓华 ，清华大学出版社 计算机数字控制技术在机床改造中的应用, 王德洪, 文教资料, 2005/23 加工中心数控系统的经济型设计与实践, 王文熙, 青岛大学学报(工程技术版),2001/02备注精品文库章节3.步进电机控制技术讲授主要内容步进电机的工作原理步进电机的工作方式 步进电机控制接口及输出字表 步进电机控制程序重点难点1.步进电机的工作原理2.步进电机控制程序要求掌握 知识点和 分析方法1.步进电机的工作原理2.步进电机的工作方式3.步进电机控制接口及输出字表4.步进电机控制程序教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模(DA) 转换器。常采用步进电机作为驱动元件。步进电机控制线路接收计算机发来的指令脉冲， 控制步进电机作相应地转动，驱动工作台或刀具。指令脉冲总数决定数控系统总移动量， 指令脉冲的频率决定移动速度。步进电机的工作就是步进转动。电源采用单极性的直流电源。对步进电机定子的各 相绕组以适当的时序进行通电步,使进电机转动。要特别说明，该处的“相”指的是定子 的对数。步进电机的步进过程可以用图 3.14 来说明。另外，对于单三相工作方式下的步 进过程，在多媒体课件中，用图形的形式描述了转子的转动过程，使学生更直观的认识齿 距角和步距角的含义。步进电机可工作于单相通电方式，也可工作于双相通电方式和单相、双相交叉通电 方式。选用不同的工作方式，可使步进电机具有不同的工作性能，如减小步距，提高定位 精度和工作稳定性等。对于三相步进电机则有单相三拍(简称单三拍)方式、双相三拍(简称 双三拍)方式、三相六拍工作方式。依据电压波形，做出说明。微机控制取代脉冲分配器，同时用微机实现对步进电机的走步数、转向以及速度控 制等。通过 8255A 并行接口芯片，做出如图 3.18 所示的接口示意图，设定好绕组通断电 的输出值以后，即可根据工作方式，做出输出字表。步进电机的走步控制程序包括输出步数控制、转动方向控制以及速度控制，当某种 特定方式下的输出字表确定以后，该部分内容就相应的变为计数、字表输出顺序和两次输 出字之间的时间间隔问题，画出程序流程图，程序设计较容易。作业布置3.6，3.7主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社单片机在步进电机控制中的应用, 陆阳, 铁道机车车辆, 1995/02步进电机模糊控制技术的研究,高向东,微特电机,1999/03基于 DSP 的步进电机控制系统设计,李为民,微特电机,2001/03章节4.1 数字控制器的连续化设计技术讲授主要内容数字控制器的连续化设计步骤数字 PID 控制器的设计数字 PID 控制器的改进重点 难点1.将 D(S)离散化为 D(Z)2.数字 PID 控制器的改进要求掌握知识点和 分析方法1. 将 D(S)离散化为 D(Z)2. 数字 PID 位置型控制算法和数字 PID 增量型控制算法3. 数字 PID 控制器的改进教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等数字控制器的连续化设计步骤首先是利用自动控制原理学过的知识（频率特性法、 根轨迹法等）设计出假想的连续控制器 D(S)，选择好采样周期 T，即可将 D(S)离散化 为 D(Z)，对于双线性变换、前向差分、后向差分都要从级数展开和数值积分定义来分 析，而且使用双线性变换，一个稳定的连续控制系统在变换之后仍将是稳定的，可是 使用前向差分法，就可能把它变换为一个不稳定的离散控制系统（要求学生根据在自 动控制原理课中所学知识，给出证明）。在计算机控制系统中，PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期 相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟 PID 离散化变为差分方程。 有两种型式：数字 PID 位置型控制算法和数字 PID 增量型控制算法，做出比较。数字 PID 控制器的改进是非常重要的内容，包括： 积分项的改进(1)积分分离(2)抗积分饱和(3)梯形积分(4)消除积分不灵敏区 微分项的改进(1)不完全微分 PID 控制算法(2)微分先行 PID 控制算式 只有发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势，才能在控制性能上超过模拟调节器。而对于积分项和微分项的改进，正是为了更合理的应用 PID 控 制技术。针对梯形积分、消除积分不灵敏区、不完全微分，可以从数学表达式上看出 改进后的效果。作业布置4.2，4.3，4.4，4.5主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社实用 PID 的几种改进方法, 付冬梅, 自动化博览, 1997/01基于积分分离的 PID 位置控制器的设计, 胡科峰, 机床与液压, 2004/05备注章节4.1 数字控制器的连续化设计技术数字 PID 控制器的参数整定4.2 数字控制器的离散化设计技术讲授主要内容1.数字 PID 控制器的参数整定2.数字控制器的离散化设计步骤3.最少拍控制器的设计重点 难点1.数字 PID 控制器的参数整定2.最少拍控制的定义3.最少拍控制器的设计及最少拍控制器的基本形式要求掌握 知识点和 分析方法1.数字 PID 控制器的参数整定2.广义对象的定义包括零阶保持器与被控过程。3.误差脉冲传递函数误差信号的 Z 变换除以输入函数的 Z 变换4.最少拍控制器的设计及最少拍控制器的基本形式数学推导精品文库教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等PID 控制器性能的好坏，控制效果的优劣跟 PID 控制器的参数选择有直接的关系。对于连续控制器进行离散化，最重要的一点就是要求采样周期要相当小，因此，对于 数字控制器，首要一点是根据影响因素选择合适的采样周期 T。PID 控制器在使用过程中，另有 KP，TI，TD 三个参数需要整定。简易工程整定法是 由经典的频率法简化而来的，虽然稍微粗糙一点，但是简单易行，适于现场应用。凑 试法更多的应用于仿真实验当中，要求对 P、I、D 三部分的参数有深刻的理解。由于控制任务的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时， 必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控 制器，这类方法称为离散化设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数具有以下形式( z)f z 1 f z 2 L f z N1 2 N根据 z 变换的终值定理，得到系统的稳态误差的表达式，针对典型输入函数的 Z变换表达式 R( z) 青B( z) ，得到(z)=1-(1-z-1)q ，最少拍控制器 D(z) 为(1 z 1 ) q1 (z ) 1 (1 z 1 ) qD( z)G( z) 1 (z) G( z)(1 z 1 ) q通过对典型输入下的最少拍控制系统分析，得到最少拍控制器的局限性：(1)针 对一种典型的输入函数 R(z)设计，得到系统的闭环脉冲传递函数(z)，用于次数较 低的输入函数 R(z)时，系统将出现较大的超调，响应时间也会增加，但在采样时刻的 误差为零。反之，当一种典型的最少拍特性用于次数较高的输入函数时，输出将不能 完全跟踪输入以致产生稳态误差。由此可见，一种典型的最少拍闭环脉冲传递函数 (z)只适应一种特定的输入而不能适应于各种输入。(2) 只有当 G(z)是稳定的(即在 z 平面单位圆上和圆外没有极点)，且不含有纯滞后环节时，式(z)=1-(1-z-1)q 才成立。 如果 G(z)不满足稳定条件，则需对设计原则作相应的限制。在单位圆外或圆上 D(z) 和 G(z)不能对消零极点，但并不意味含有这种现象的系统不能补偿成稳定的系统，只 是在选择(z)时必须加一个约束条件，这个约束条件称为稳定性条件。作业布置4.6，4.7，4.8主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社计算机控制理论及应用，孙增圻，清华大学出版社 数字控制器离散设计的新探讨, 刘玉文, 甘肃广播电视大学学报, 1998/02备注欢迎下载章节4.2数字控制器的离散化设计技术有纹波和无纹波控制器4.3纯滞后控制技术史密斯(Smith)预估控制讲授主要内容最少拍有纹波控制器的设计最少拍无纹波控制器的设计史密斯(Smith)预估控制重点 难点1.最少拍有纹波控制器的设计方法、步骤和举例分析2.最少拍无纹波控制器的设计的必要条件分析3.史密斯(Smith)预估控制数字化分析要求掌握知识点和 分析方法1.最少拍有纹波控制器的设计方法、步骤和举例分析2.最少拍无纹波控制器的设计3.史密斯(Smith)预估控制教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等ud11.z (1 bi z ) 设 G(z)是 G(z)中不含单位圆上或圆外的零极点部分，这样，G( z) i 1G ( z)v(1 a z 1 )ii 1在分析对该控制对象设计最少拍控制器时，为了避免使 G(z)在单位圆外或圆上的零点、 极点与 D(z)的零点、极点对消，同时又能实现对系统的补偿，选择系统的闭环脉冲传 递函数时必须满足下面的约束条件：（1）e(z)的零点中，必须包含 G(z)在 z 平面单位圆外或圆上的所有极点，即v( z) 1 ( z) (1 a z 1 ) (1 z 1 )q F ( z )e i 1i 1（2）(z)的零点中，必须包含 G(z)在 z 平面单位圆外或圆上的所有零点，即u( z) z d(1 b z 1 ) F ( z)i2i 1以上的计算公式中，还需要确定 F (z)=1+f z-1+f z-2+f z-m 和 F (z)=f z-1+f z-2+111121m22122+f z-n 以及相应的阶数 m，n 确定。根据此约束条件，可求得最少拍控制器为2nF2 (z), jq1(z)G (z)(1z 1 )q j F (z) D(z)1G(z) 1(z)F2 (z), j qG (z)F (z)1根据教材例 4.1，熟悉整个设计和计算过程。 仅根据上述约束条件设计的最少拍控制系统，只保证了在最少的几个采样周期后系统 的响应在采样点时是稳态误差为零，而不能保证任意两个采样点之间的稳态误差为零。 这种控制系统输出信号 y(t)有纹波存在，故称为最少拍有纹波控制系统，相应的控制 器为最少拍有纹波控制器。y(t)的纹波在采样点上观测不到，要用修正 z 变换方能计算 得出两个采样点之间的输出值，这种纹波称为隐蔽振荡(hidden oscillations)。精品文库2. 设计最少拍无纹波控制器的必要条件：Gc(s)中必须含有足够的积分环节，以保证u(t)为常数时，Gc(s)的稳态输出完全跟踪输入，且无纹波。最少拍无纹波系统确定(z)的约束条件：(z)必须包含 G(z)的分子多项式 B(z)，即(z)必须包含 G(z)的所有零点。这样，原来最少拍有纹波系统设计时确定(z)的w公式应修改为( z)z d B( z) F ( z)z d(1 b z 1 ) F ( z) ，其余环节均与有2i2i 1纹波控制器设计方法相同。以例题 4.2，观察数字控制器输出和系统输出。3. 由于物料或能量的传输延迟引起的滞后称为纯滞后。根据教材图 4.19，可以得出经补偿后的系统闭环传递函数为D (s)G (s)e csD(s)G (s)(s) P P e cs1 D (s)G (s)e cs1 D(s)G (s)PP说明，经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e cs 在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明， e cs 仅将控制作用在时 间坐标上推移了一个时间，控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同。采用零阶保持器法，使系统离散化，得到数字 PID 控制器和史密斯预估器。给出相应的纯滞后补偿算法步骤，然后综合到数字 PID 控制算法中。作业布置4.9，4.10，4.11主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社计算机控制理论及应用，孙增圻，清华大学出版社用 MATLAB 进行数字控制器计算机辅助设计, 陈晓天, 广东自动化与信息工程,1997/02最少拍控制器的设计方法, 涂源钊, 四川大学学报(工程科学版), 1997/04最少拍炉温控制系统的设计, 陈学, 计算技术与自动化, 1998/03备注青岛大学教案（理论教学用）第 10 次课3 学时4.3纯滞后控制技术达林(Dahlin)算法章节4.4串级控制技术4.5前馈-反馈控制技术欢迎下载精品文库讲授主要内容达林(Dahlin)算法串级控制的结构和原理 数字串级控制算法 副回路微分先行串级控制算法 前馈控制的结构和原理前馈-反馈控制结构数字前馈-反馈控制算法重点 难点1.达林(Dahlin)算法与振铃现象2.串级控制的结构和原理3.前馈控制的结构和原理要求掌握知识点和 分析方法1.串级控制的结构和原理2.前馈控制的结构和原理教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等1.达林算法的设计目标是使整个闭系统所期望的传递函数(s)相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即(s) 1 e cs ，代入=NT,并进行 z 变换Tc s 1(1 e T Tc ) z N 1 D(z) 1 (z)( z)进而G(z) 1 (z )1 e T Tc z 1 N 1 T T1 z (1 e c )G(z) 1 e T Tc z 1 (1 e T Tc )z N 1对于一阶和二阶环节，简单进行分析。振铃(Ringing)现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振 荡。针对振铃现象，提出一种最简单的输入 R(z)和 u ( z) 表达式，分析出产生振铃现 象的原因。2.由图 4.23 所示炉温控制系统，引出计算机串级控制系统结构图。对于串级控制系统的分析有一个原则，就是不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向 内进行。这样，针对图 4.25 所示系统，给出相应计算方法和步骤；为了防止主控制器 输出(也就是副控制器的给定值)过大而引起副回路的不稳定，同时，也为了克服副对 象惯性较大而引起调节品质的恶化，在副回路的反馈通道中加入微分控制，称为副回 路微分先行。副回路的引入给系统带来了很多的优点：更强的抑制扰动的能力；克服对象纯滞 后的影响；把非线性对象包含在副回路中，由于副控回路是随动系统，能够适应操作 条件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定值。精品文库3. 前馈控制是按扰动量进行控制的，当系统出现扰动时，前馈控制就按扰动量直接产生校正作用，以抵消扰动的影响。采有前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。三冲量给水控制系统是典型的前馈-反馈控制结构，通过图 4.30 锅炉汽包水位控 制系统示意图，分析出系统框图，然后采用零阶保持器法进行离散化处理，最终得到 相应的调节量输出序列。作业布置4.11（2），4.12主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社采用大林控制器大纯滞后系统的数字仿真分析, 汤学炳, 江汉石油学院学报,1994/01锅炉汽包水位 MFAC-PID 串级控制方案的仿真研究, 李传庆, 东北电力学院学报,2005/04基于 KMM 调节器的锅炉水位前馈-串级控制系统, 王淑红, 自动化仪表, 2003/11汽包锅炉状态前馈-反馈给水控制, 潘维加, 动力工程, 2001/06备注青岛大学教案（理论教学用）第 11 次课 3 学时章节4.6解耦控制技术4.7模糊控制技术讲授主要内容解耦控制原理数字解耦控制算法 模糊控制的数学基础 模糊控制原理 模糊控制器设计重点 难点1.解耦控制原理2.模糊控制原理3.模糊控制器设计要求掌握知识点和 分析方法1.解耦控制原理2.模糊控制器设计精品文库教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等1.通过分析精馏塔组分控制，引出控制回路耦合问题；解耦控制的主要目标是通过设计解耦补偿装置，使各控制器只对各自相应的被控量施加控制作用，从而消除回路间的相互影响。 多变量控制系统解耦的条件是系统的闭环传递函数矩阵(s)为对角线矩阵。 引入解耦补偿装置，使得(s)满足要求。进而进行离散化，得到可编程的差分方程形式。2.针对学生数学基础较薄弱，故不对模糊数学做大篇幅的介绍，而将重点放在模糊控 制器设计，从工程应用的角度，来认识模糊控制。针对不同的应用系统，利用 matlab 进行仿真试验，让学生切身体会设计模糊控制器的过程。模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个 部分。模糊控制系统的关键是设计模糊控制器，需要：选择模糊控制器的结构、选取模 糊规则、确定模糊化和清晰化方法、确定模糊控制器的参数、编写模糊控制算法程序。最后，要求学生查阅相关资料，了解模糊控制的研究现状。作业布置4.14，补充：查阅至少 3 篇文献，写出对模糊控制研究现状的总结材料。主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社模糊控制技术，刘曙光等编著，中国纺织出版社 精通 MATLAB(M)，张志涌，北京航空航天大学出版社基于 MATLAB 下的模糊控制系统的建立及仿真和优化实现, 姚雪宏, 机床与液压,2000/05关于模糊 PID 控制器的应用设计, 刘伟, 沈阳工业大学学报, 2003/02模糊控制系统研究与应用, 陶文华, 工业仪表与自动化装置, 2004/04备注青岛大学教案（理论教学用）第 12 次课 3 学时章节6.1 程序设计技术6.2 数据结构及其应用技术6.3 测量数据预处理技术讲授主要内容模块化与结构化程序设计、高级语言与汇编语言混合编程、工业控制组态软件数据查找技术、数据排序技术 系统误差的自动校准、线性化处理和非线性补偿、标度变换方法、越限报警处理重点 难点1.高级语言与汇编语言混合编程2.工业控制组态软件3.标度变换方法精品文库要求掌握知识点和 分析方法1.高级语言与汇编语言混合编程2.标度变换方法教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等软件的分类和作用，已经在第一章做了简单介绍。在进行计算机控制系统设计时，大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计面向控制系统本身的应用程 序。软件设计的方法有两种，一种就是由用户利用计算机语言自己编制需要的应用程 序段；另一种就是利用组态软件，选择相应的模块，进行功能的综合。高级语言在计算机控制系统中的应用越来越多。介绍具有标准输入输出库函数、 可以直接用于访问 I/O 端口的 C 语言。该部分在下个学期进行计算机控制课程设计时 将要用到。C 语言与汇编语言的混合编程是非常重要的内容，几乎现在所有的中高档 cpu 都支持 C 语言。督促学生重新认识 C 语言的重要性，认识控制台 C 语言与基础 C 语言之间的联系和区别。组态软件是大工业、大系统控制的必要软件。在此，以北京亚控组态王软件，介 绍组态的组成和应用。摘取组态王中的典型画面，以图片的形式展现给学生，让学生 有一个初步的认识。简单介绍数据查找技术和数据排序技术。测量数据的预处理技术包括系统误差的自动校准（全自动校准和人工自动校准）、 线性化处理和非线性补偿、标度变换方法、越限报警处理。其中，参数值与 AD 转 换结果之间为线性关系的线性变换公式经常用到Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)(Nmax-Nmin)+Ymin利用剩余时间让学生做课后作业 6.3，强化对公式的认识。作业布置6.3主要参考资料微型计算机控制技术（教材），于海生，清华大学出版社软件技术基础，徐士良，清华大学出版社组态王 6.5 使用手册，北京亚控，北京亚控科技发展有限公司备注青岛大学教案（理论教学用）第13 次课 3 学时章节6.4 数字控制器的工程实现6.5 系统的有限字长数值问题6.6 软件抗干扰技术讲授主要内容数字控制器的工程实现（给定值和被控量处理、偏差处理、控制算法的实现、控制量处理、自动手动切换技术） 量化误差来源、A/D、D/A 及运算字长的选择 数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术精品文库重点 难点1.量化误差来源2.A/D、D/A 及运算字长的选择3.数字滤波技术4.开关量的软件抗干扰技术5.指令冗余技术和软件陷阱技术要求掌握知识点和 分析方法1.能够计算出 ADC、DAC 需要的精度下的字长，通过课本例题讲解2.掌握数字滤波技术的原理，并写出相应的通用程序流程图3.熟悉微机系统中 CPU 受到干扰后，程序自身运行的抗干扰技术教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等1.数字控制器的工程实现（给定值和被控量处理、偏差处理、控制算法的实现、控制 量处理、自动手动切换技术），本部分内容难度不大，但是出现了很多英文缩写，学生 们可能难于记忆，因此，将所有的缩写的英文全称都在课堂上告诉学生，同时阐述其 中的各种处理和实现原则。2.系统的有限字长数值问题，阐述计算机控制系统的转换精度和计算精度，进一步说 明量化误差及其来源。要求学生能够计算出 ADC 和 DAC 的满足系统精度要求的字长。3.软件抗干扰技术是对硬件抗干扰技术的有效的补充，因为仅靠硬件抗干扰措施是不 够的。对于数字滤波技术，常用的有算术平均值滤波、中位值滤波、限幅滤波和惯性 滤波，阐述清楚各种滤波技术的工作原理，同时进行举例分析滤波结果。但是，仅仅 掌握原理是不够的，因此，要求学生对每一种滤波技术都要写出通用的流程图和相应 的滤波子程序。开关量的软件抗干扰，包括多次采集输入和重复输出同一数据的方式来解决。 指令冗余技术和软件陷阱技术大多由硬件看门狗电路来实现，因此只给学生作了简单 原理介绍，并没有真正的引入程序进行分析。作业布置6.5，6.6，6.7主要参考资料过程计算机控制，王锦标，清华大学出版社数据采集中的软件抗干扰技术, 崔淮柱 , 江苏大学学报(自然科学版), 1990/04 微机控制系统的软件抗干扰, 张捍东, 电气传动自动化, 1996/02 计算机控制系统的软件抗干扰技术, 周少武, 湘潭矿业学院学报, 1998/04备注青岛大学教案（理论教学用）7.1数据通信技术章节7.2工业网络技术第 14 次课 3 学时精品文库讲授主要内容数据编码技术平衡与不平衡传输技术RS-422/RS-485 接口及应用 工业网络概述 网络协议及其层次结构 IEEE 802 标准工业网络的性能评价和选型重点 难点1.平衡与不平衡传输技术2.RS-422/RS-485 接口及应用3.工业网络概述要求掌握知识点和 分析方法1.平衡与不平衡传输技术，图解与比较的方法来分析2.RS-422/RS-485 接口及应用，画出详细的接口电路3.工业网络概述教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动等数据通信是工业测控网络和分散型测控系统的关键技术。而串行通信适合远距离的数据传输，在串行通信中，首先要搞清楚是编码形式。介绍不平衡方式和平衡方式，以及平衡传输方式的优点。针对常用的串行传输方 式 RS-232、RS-422 和 RS-485，画出发送和接收电路图，说明 RS232C 的电气接口 是单端的、双极性电源供电电路；RS-422 和 RS-485 是差分平衡的电气接口，并且以 图 7.9，对三种传输方式的性能进行了对比。RS-485 电路在多点互联系统中应用较为广泛，画出较为详细的节点连接电路，并 指出在实际做过的项目中，自己碰到的一些问题及解决方法。工业网络的拓扑结构包括：星形、环形、总线形和树型，介绍相应优缺点。介质访问控制技术有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMACD)；令牌环(TokenRing)；令牌总线(Token Bus)。介绍工作原理，并给出每种控制技术的优缺点。简单了解信息交换技术。奇偶校验(Parity Check)和循环冗余校验 CRC(Cyclic Redundancy Check)是最常 用的两种检错技术，前者用于单个字符校验，后者用于多个字节组成的数据块校验。