《计算机控制技术》教学大纲

第页《计算机控制技术》教学大纲课程编号：13180418英文名称：TheTechnologyofComputerControl学分：2学时：总学时40学时，其中理论24学时，实践16学时课程类别：专业必修课程授课对象：电气工程及其自动化专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第5学期一、课程描述和目标计算机控制技术是电气类、自动化类专业在数字系统技术方面的技术基础课，它具有自身的体系，是实践性很强的课程。它是电气工程及其自动化专业必须学习和掌握的一门数字系统技术课程，对后续课程的学习、自动化领域的项目设计与开发至关重要。本课程是为电气工程及其自动化类专业的三年级学生开设的专业必修课。本课程主要学习计算机控制系统分析、设计方法，并能运用相关理论和方法来解决工业实践和科学研究中遇到的实际问题。目的是强化自动控制系统既得知识，深化教学内容，使学生掌握复杂离散控制系统的设计思想和设计方法，能解决各种实际计算机控制系统设计问题，以提高学生的动手能力、分析与解决问题的能力。本课程拟达到的课程目标课程目标1：掌握MATLAB工具的使用方法以及C语言编程方法，能在工程实际系统的设计、硬件和软件设计中正确应用。课程目标2：使学生掌握常用计算机控制系统的Z变换分析方法、离散控制技术及其稳定性、稳态性能、动态性能，用于控制系统方案设计、改进、建模和算法设计等复杂工程问题。课程目标3：通过直接数值控制、连续域离散化设计和直接离散化设计的对比，使学生理解和认识实际工程问题的多种解决方案；通过介绍典型的前沿控制策略，使学生能够借助文献寻找替代的优化方案。课程目标4：通过介绍计算机控制系统硬件架构、输入输出通道、扩展设备等，以及系统的可靠性技术、抗干扰技术、程序控制技术和纹波控制技术的介绍，使得学生能够进行自动化系统的方案设计、设备选型和系统集成，能优选方案，体现创新意识。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重对应关系1.4掌握计算机基础知识和专业知识，能针对工程问题进行软硬件分析与设计。课程目标11L1.5掌握电气工程的知识。能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于控制系统方案设计、改进、建模和算法设计等复杂工程问题。课程目标21L2.3能认识并判断实际工程问题有多种解决方案，能分析文献寻求可替代的解决方案。课程目标30.5H课程目标40.53.2在安全、环境、法律等现实约束条件下，能够进行电气工程的方案设计、设备选型和系统集成，能优选方案，体现创新意识课程目标41L（H—高，M—中，L—低）三、教学内容、基本要求及学时分配序号教学内容基本要求学时教学方式对应课程目标1概论计算机控制系统的基本工作原理和基本概念，计算机控制系统的一般组成和分类，计算机控制系统的发展历史和现状，计算机控制系统实例。掌握计算机控制系统概念、组成、典型应用、发展、理论与设计问题。2集中讲授12可靠性技术和抗干扰设计可靠度、失效率、MTBF、不可靠度的概念和计算，常见干扰源、干扰的分类和耦合途径，常用元器件的失效机理和降额设计、数字集成电路的噪声容限硬件抗干扰的常用方法。可靠度相关概念及计算、失效机理及预防措施。2集中讲授13过程通道技术采样过程、采样周期选择及零阶保持器，信号的恢复和重构、多路开关、采样保持器、A/D转换器的实时性分析，常用数字滤波与数据处理方法。ADC与DAC、信号的恢复与重构、信号的量化、输入输出通道、信号调理。4集中讲授14数字程序控制技术数字程序控制基础，逐点比较法插补原理，步进电机控制技术。数值控制基础、逐点比较法插补原理、步进电机控制技术。2集中讲授2,35线性离散系统的Z变换分析法Z变换和Z反变换，用Z变换求解差分方程，Z传递函数，线性离散系统稳定性分析，线性离散系统稳态误差分析。Z变换、差分方程、Z传递函数、线性离散系统稳定性分析、稳态误差分析。6集中讲授2,3,46计算机控制系统的模拟化设计传递函数与Z传递函数的相互转换，数字PID控制算法，数字PID控制的改进，数字PID调节器参数整定。数字PID控制算法、数字PID控制的改进、数字PID调节器参数整定。4集中讲授2,3,47计算机控制系统的离散化设计离散化设计准则和基本步骤，最少拍控制系统的设计，最少拍有纹波控制系统的设计，最少拍无纹波控制系统的设计，其它数字控制器设计。离散化准则、最少拍系统设计、最少拍无纹波控制系统的设计、其它数字控制器设计。4集中讲授2,3,4合计24序号教学内容教学要求教学目标实验类别课内学时备注1A/D转换实验要求：通过A/D转换卡完成12位A/D转换实验；目的：掌握模数、数模转换基本原理，熟悉A/D转换方法1,2,3验证3必修2PID仿真实验要求：通过计算机仿真（Matlab），研究不同离散化方法和采样周期对数字PID控制性能影响。目的：了解数字PID和模拟PID控制区别，研究不同离散化方法和采样周期对数字PID影响。1、2、3验证3必修3数值控制系统（正弦信号发生系统）要求：在QuartusII上完成正弦信号发生器设计，实测FPGA中ROM的在系统数据读写测试和利用示波器测试。目的：了解数字程序控制原理，熟悉QuartusII及FPGA硬件资源的使用方法。1、2、3设计3必修4步进电机控制要求：完成基于NiosII软核的步进电机控制器设计，生成系统；在NiosIDE中运行C代码，控制步进电机的正转反转、停止、加速和减速等功能。目的：了解步进电机的工作原理；掌握步进电机的驱动及编程方法。1,2,3,4综合性设计3必修5电机PID控制要求：完成基于NiosII软核的直流电机控制器设计，生成系统；完成速度反馈检测模块设计。编制PID控制程序，在NiosIDE中运行，控制直流电机的正转反转、停止、加速和减速等功能，并结合设定速度记录其PID控制效果。目的：了解直流电机调速系统的特点；研究采样周期T对系统特性的影响；研究电机调速系统PID控制器的参数的整定方法。1,2,3,4综合性设计4必修合计16四、课程教学方法1.总体设计计算机控制技术课程教学模式把传统的计算机控制理论教学与EDA技术相结合，将众多项目贯穿于整个教学过程中。目的是将孤立知识点通过项目进行串联，让学生在具体项目中进行学习，通过解决实际问题来实现对知识的理解和掌握，达到理论学习与实践的统一。2.课堂教学课堂讲授：针对计算机控制技术课程内容多、任务重、学时少的情况，为提高学生实践动手能力和解决实际问题的能力，课程教学模式以“强化技能培养，增强应用能力”为原则，把传统的计算机控制理论教学与EDA技术相结合，按照控制系统设计的思想将众多项目贯穿于整个教学过程中，以应用项目为实现目标，凭借EDA开发系统实现具体项目功能。重点支持毕业要求指标点：1.4，1.5，2.3，3.2。课内讨论：围绕预习内容、讲授案例、作业问题，引导学生进行优化、完善和补充。重点支持毕业要求指标点：1.4，1.5，2.3，3.2。学习内容单元知识点学时教学模式1绪论可靠性设计和抗干扰设计计算机控制系统概念、组成、典型应用、发理论与设计问题可靠性问题和抗干扰问题4从介绍控制发展和趋势入手，通过举例（温度控制器等），引导学生理解控制系统概念、特点、软硬件组成、应用形式和分析设计控制系统时面对的问题。2过程通道技术ADC与DAC、采样过程、输入输出通道、数字信号调理4以实验项目“基于DAC的信号发生器设计”、“基于ADC的数据采集”为驱动，授课中调整部分内容的授课次序，并补充EDA知识、开发系统特点和演示实验。3数字程序控制技术数值控制基础、逐点比较法插补原理、步进电机控制技术2以实验项目“步进电机的控制”为驱动,结合开发系统介绍具体步进电机的特点和参数，以及逐点比较法插补在该系统中的实现方式。4离散控制系统的Z变换分析法Z变换、差分方程、Z传递函数、线性离散系统稳定性分析、稳态误差分析6根据学时要求和大纲安排，去掉了教材中“离散状态空间”、“根轨迹法”、“频率特性”等内容，将第3章和第4章中规定内容联系在一起进行讲授。重视举例,并利用MATLAB软件演示典型案例的性能指标。设置提问环节，活跃课堂气氛5计算机控制系统的模拟化设计数字PID控制算法、数字PID控制的改进、数字PID调节器参数整定4基于“直流电机的PID控制”项目，选择相关内容小节，补偿直流电机相关知识，结合开发系统直流电机进行实例讲解。布置学习团队项目。6计算机控制系统的离散化设计离散化准则、最少拍系统、最少拍无纹波控制系统的设计、其它数字控制器设计4重视举例和仿真演示，利用MATLAB软件演示最小拍系统、有纹波和无纹波案例的性能对比。设置提问环节，活跃课堂气氛3.实验教学在课外学习和作业实施的基础上，通过集中实验，理解有关知识点，掌握计算机控制系统的常用分析和设计方法。重点支持毕业要求指标点：1.4，1.5，2.3，3.2。4.课外学习课前预习：要求学生在课前按预习计划完成自主学习内容，即自学教材相关章节，观看参考网站上教学视频。重点支持毕业要求指标点：2.3。课后作业：要求学生按时完成课后作业。重点支持毕业要求指标点：2.3。项目设计：要求学生完成1个复杂项目设计，集中进行现场验收，要求每个人进行系统演示和口头汇报。重点支持毕业要求指标点：1.4，1.5，2.3，3.2。五、学业评价和课程考核1．考核方式考试（√）考查（）2．成绩记载百分制（√）五级分制（）3.考核原则强化实践——强化课内外实验突出平时——注重平时作业提前关联——提前与专业学习关联，提高学习的兴趣注重能力——重点考察数字系统分析与设计的能力4.成绩总评考核评价构成：期末闭卷考试50%，实验成绩20%，项目设计15%，平时作业10%，平时纪律5%。5.考核方案（1）平时纪律考核方案平时纪律占5%，主要考察到课率和课堂表现，学习态度，自主学习能力。旷课一次扣1分；不遵守课堂纪律，一次扣1分；扣完为止。（2）平时作业考核方案平时作业占10%，每次按A、B、C、D四等予以记载,缺交一次扣1分，总评时最终折算成A（10分）、B（9分）、C（7分）、D（5分）。（4）项目设计考核方案项目设计占15%，总共1个项目。按项目要求完成计算机控制系统设计与调试，完成软件编程和调试，并能正确演示。根据完成情况和回答问题情况按A、B、C、D四等予以记载，然后根据占比，按该项总得分×占比15%的方式计算得到各指标点的得分。（5）实验成绩考核方案实验成绩占20%，共5个实验。总评时，根据总体表现给定优秀、良好、中等、及格、不及格，期末总评时最终折算成优秀（95分）、良好（85分）、中等（75分）、及格（65分），不及格（50分），并根据按该项总得分×占比20%的方式计算得到实验成绩。（6）期末闭卷考试考核方案期末闭卷考试占50%，其考核方案参见表5-2。期末成绩占50%，采用闭卷形式，题型为分析题、设计题，主要考察计算机控制系统的分析、设计能力。期末考试卷面成绩不能低于50分，低于50分者，其课程总评成绩为不及格。

表5-2期末闭卷考试的考核方案序号教学目标考察点分析题设计题总分得分51051081271013201001掌握计算机控制系统概念、组成能够分析计算机控制系统的类型和特点，区别DDC和SCC控制系统√52掌握ADC与DAC、采样过程、输入输出通道、数字信号调理能够分析输入输出通道中常用的驱动电路，分析ADC和DAC的指标和选型。√103掌握数值控制基础，掌握逐点比较法插补原理和步进电机控制技术。能够根据要求设计逐点比较法插补过程√18能够分析步进电机的控制过程和调速√4掌握Z变换、线性离散系统稳定性分析、稳态误差分析能够分析传递函数，进行系统稳定性分析√18能够进行系统稳态误差分析√5掌握数字PID控制算法、算法的改进和参数整定。能够分析抗积分饱和、抗微分饱和的方法，比较位置式和增量式PID算法√19能够根据传递函数，推导相应PID控制算式√6掌握离散化准则、最少拍系统、最少拍无纹波控制系统的设计能进行最少拍系统性能分析√30能进行无