计算机控制系统 教学大纲

计算机控制系统课程教学大纲英文名称：ComputerControlSystem课程编码：学时：40学分：2.5课程性质：专业课先修课程：反馈控制理论、现代控制理论开课学期：第6学期适用专业：自动化相关专业一、课程教学目标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）；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。2、基于离散化设计思路将最小拍控制器设计方法用于计算机控制系统的控制中；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；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，培养学生解决复杂的工程问题能力。3、掌握计算机控制的软硬件设计原理和基本的开发技能，具备初步的系统设计和实现能力。二、课程教学目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程教学目标1、工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题；（覆盖标准毕业要求1）1-1考察学生将数学、物理、电路、电子学、电机学、控制理论和计算机技术等基础理论和专业知识用于分析和解决控制工程领域复杂工程问题的能力。教学目标11-2考察学生应用工程基础知识对控制工程领域复杂工程问题建模、分析与设计的综合能力。2、问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达自动化相关的工业自动化、过程控制、人工智能与机器人等领域的复杂工程问。题，并能通过文献研究分析，以获得有效结论。2-1能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，对自动化复杂工程问题进行有效分解，识别和判断自动化复杂工程问题的关键环节，并能对复杂工程问题进行表达。教学目标22-2能够运用数学、自然科学、工程基础和自动化专业知识分析自动控制系统及其中单元（模块）的特性和影响因素。3、设计/开发解决方案：能够设计针对自动化相关的工业自动化、过程控制、人工智能与机器人等领域的复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的自动化模块、单元、装置或系统，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑安全、环境、法律、经济、健康、伦理、文化等因素。3-2具备综合运用理论知识和技术手段设计典型控制系统的能力，正确表达问题的解决方案。教学目标3三、课程的基本内容3.1理论教学1、绪论（支撑教学目标1）本章主要内容：1.1计算机控制系统的产生及原理1.2计算机控制系统的构成1.3过程通道技术1.4工业计算机的选择1.5计算机控制系统的基本类型1.6计算机控制系统的发展与趋势1.7计算机控制系统的性能与设计2、计算机控制系统信号分析（支撑教学目标1、2、3）本章主要内容：2.1计算机控制系统中的信号2.3信号的恢复与重构2.4信号的整量化2.5信号变换实现原理2.6信号变换实现技术2.7实例仿真3、计算机控制系统数学描述（支撑教学目标1、2）本章主要内容：3.1差分描述3.2z变换及3.3离散时间系统3.4框图3.5典型计算机控制系统的脉冲传递函数3.6实例仿真4、计算机控制系统的性能分析本章主要内容：4.1s平面和z平面之间的映射4.2计算机控制系统稳定性分析4.3计算机控制系统稳态过程分析4.4计算机控制系统暂态过程分析4.5计算机控制系统频域特性分析4.6实例仿真5、数字控制器的模拟化设计方法（支撑教学目标1、2）本章主要内容：5.1模拟化设计的基本原理5.2连续控制器离散化方法5.3数字PID控制器设计5.4Smith预估补偿数字PID控制器设计5.5实例仿真5.5数字PID与模拟PID的关系5.6数字PID位置式定义5.7数字PID增量式定义5.8数字PID的改进：积分分离；微分先行；带死区的PID等5.9PID各参数对系统性能影响5、数字控制器的模拟化设计方法（支撑教学目标1、2）本章主要内容：5.1模拟化设计的基本原理5.2连续控制器离散化方法5.3数字PID控制器设计5.4Smith预估补偿数字PID控制器设计5.5实例仿真6、数字控制器的离散化设计方法（支撑教学目标1、2）本章主要内容：6.1离散系统性能指标要求6.2z域根轨迹设计方法6.3最小拍控制器设计方法6.4大林算法6.5实例仿真7、计算机控制系统状态空间设计方法（支撑教学目标1、2）本章主要内容：7.1离散系统的状态空间描述7.2离散系统状态空间模型的基本特性7.3状态反馈控制律的极点配置设计方法7.4状态观测器的极点配置设计方法7.5基于状态观测的反馈控制器设计7.6实例8、计算机控制系统的MWORKS仿真与分析（支撑教学目标1、2、3）本章主要内容：8.1系统仿真的概念及分类8.2计算机控制系统信号仿真分析8.3计算机控制系统模型描述与性能仿真分析8.3.4计算机控制系统频域性能的仿真分析8.4实例仿真9、计算机控制系统设计实例（支撑教学目标3）9.1云台电动机伺服控制系统设计与实现9.2四旋翼无人机姿态控制系统设计与实现四、教学安排本课程由课堂教学和实验课两部分组成。课堂教学围绕本门课程的基本概念，采用综合运用探究式、启发式和互动式的教学方法，并辅助大量的应用实例、图片和影像资料等进行授课。本课程包含8学时实验，分别设置在相关章节授课结束后进行，主要针对本课程的基本理论进行模拟验证和消化再吸收，结合教学的进程，要求学生独立完成实验准备、实施与撰写实验结果分析报告等工作。建议学时分配如下表：讲课内容学时讲授实验（践）上机1绪论22计算机控制系统信号分析43计算机控制系统数学描述44计算机控制系统的性能分析65数字控制器的模拟化设计方法66数字控制器的离散化设计方法87计算机控制系统状态空间设计方法28计算机控制系统的MWORKS仿真与分析49计算机控制系统设计实例4合计40五、教学方法1、理论教学与工程实践案例教学相结合，培养学生创新能力。2、采用多媒体课件、电子备课和传统教学相结合进行教学。六、教学目标达成度评价教学目标1、2、3的达成度通过闭卷笔试成绩和平时成绩综合考评。七、成绩评定课程成绩包括2个部分，分别为平时和结课考试。具体要求及成绩评定方法如下：1、平时根据学生平时出席情况，结合课堂测试和作业，平时成绩占