《计算机控制技术》教学大纲

《计算机控制技术》教学大纲课程编号：13180418英文名称：ComputerControl学分：2学时：总学时40学时，其中理论24学时，实践16学时先修课程：自动控制原理，传感器与检测原理，单片机原理及应用课程类别：专业拓展课程授课对象：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6学期一、课程描述和目标本课程是电气工程及其自动化专业的一门专业拓展课程，结合离散控制系统原理、单片机/PLC技术、传感器与检测技术，以实际工程应用为导向，介绍计算机控制系统分析、设计方法，以及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。目的是强化连续系统自动控制既得知识，深化教学内容，使学生能解决各种实际计算机控制系统设计问题，特别是数据采集、机器人运动控制等方向的实际工程问题的能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：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2：掌握实际计算机控制系统采用的直接数值控制、连续域离散化设计和直接离散化设计等多种解决方案，以及其他典型的前沿控制策略，能够借助文献选择替代的优化方案。课程目标3：能运用计算机控制系统相关基本原理，借助文献研究，分析自动化系统实施过程中的影响因素，通过归纳总结，分析、选择恰当的控制模式、控制算法、设计方式和参数。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1.3能够将复变函数与积分变换、最优决策等相关知识和数学模型方法用于分析电气工程相关领域的专业工程问题；课程目标1M4.4能够运用统计分析、电力系统分析或其他相关方法，对实验结果进行分析，合理解释实验现象，并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标2H12.1紧跟电气工程相关领域的新技术、新产业、新业态，认识到自主学习和终身学习的必要性。课程目标3L（注：要求课程目标与毕业要求指标点应是一一对应支撑）三、教学内容、基本要求与学时分配（一）理论教学序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1绪论计算机控制系统概念、组成、典型应用、设计问题、可靠性问题和抗干扰问题基本要求：理解计算机控制系统的结构与工作原理，掌握计算机控制系统的主要模式和优缺点，掌握计算机控制实时操作的特点。重点难点：掌握计算机控制系统的应用模式和特点。难点是区分计算机控制和模拟控制系统的异同。德育要求：历史责任2集中讲授文献阅读1、2、32过程通道模拟量/数字量的输入输出通道；ADC与DAC、采样过程、信号调理基本要求：掌握计算机控制系统的通道类型；掌握采样过程、采样周期选择及零阶保持器；掌握信号的恢复和重构、多路开关、采样保持器、ADC和DAC的应用。重点难点：模拟量的输入输出通道，以及ADC与DAC的应用；难点是通道中信号的处理、调理及变换。德育要求：工匠精神4集中讲授课后作业1、23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基本要求：理解计算机控制系统中直接数值控制的工作原理，掌握各种插补技术，理解数控机床中常见的步进电机的工作原理。重点是掌握直线插补技术和圆弧插补技术。重点难点：插补过程的偏差更新和进给反向。德育要求：实践创新2集中讲授课堂演示1、2、34控制系统的Z域分析Z变换和Z反变换求解差分方程Z传递函数系统稳定性分析、稳态误差分析法基本要求：掌握Z变换技术以及离散传递函数；理解离散系统稳定区域，掌握离散系统的稳定性分析方法，熟练使用劳斯判据、朱利判据；掌握离散系统稳态性能分析方法，熟练使用误差系数计算稳态误差。重点难点：掌握线性离散系统的Z传递函数以及稳定性分析和稳态误差分析。难点是基于双线性变换的劳斯变换、系统的跟踪性能分析。德育要求：探索创新6集中讲授课后作业1、25系统的连续-离散化设计传递函数的离散化方式位置式PID算法和增量型PID算法PID控制的改进PID调节器参数整定基本要求：掌握连续控制器的欧拉法、零极点匹配法等离散方法；掌握位置式和增量式PID控制算法；掌握数字PID在积分饱和和微分饱和情况下的改法、以及数字PID调节器参数整定。重点难点：控制器离散化方式与PID算法，以及各种改进PID算法。难点：离散化方式和算法改进。德育要求：团结协作6集中讲授课后作业1、2、36系统的直接离散化设计离散化设计准则和步骤最少拍控制系统的设计最少拍有纹波控制系统最少拍无纹波控制系统非最小相位系统的最小拍控制基本要求：掌握离散化直接设计的准则和设计步骤；掌握典型输入信号作用下的最小拍控制器设计方法，连接其适应性、物理可实现性以及纹波的处理；掌握非最小相位系统的最小拍控制器的设计。重点难点：有纹波/无纹波最少拍控制系统设计；难点是非最小相位系统的最小拍设计。德育要求：服务社会4集中讲授课后作业1、2、3合计24（二）课程实验序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1离散系统建模掌握离散系统差分方程模型；能够基于Z变换技术完成给定系统的离散化，求解差分方程。2验证1、22模拟量输入通道掌握离散系统的模拟量输入通道，能根据要求配置ADC参数，编写VHDL程序，完成模拟量输入ADC的转换功能。3设计1、23离散系统特性分析掌握离散系统动态响应、稳定性和稳态误差的分析方法；编写程序，完成系统功能分析和比较。2验证1、24PID及其改进算法掌握数字PID和模拟PID控制区别，理解不同离散化方法和采样周期对数字PID影响。3验证1、25步进电机数值控制掌握数字程序控制原理，熟悉步进电机及FPGA硬件资源的使用方法。3设计1、2、36直流电机闭环控制理解直流电机闭环调速系统的特点；掌握采样周期T对系统特性的影响；掌握电机调速系统PID控制器的参数的整定方法。3设计1,2,3合计16注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括演示、验证、综合、设计等。四、课程教学方法（1）理论学习以集中授课的形式为主，线上与线下的课外讨论为辅；（2）课程实验以集中讲解、上机操作的形式开展，通过实验效果和实验报告进行评价；（3）综合项目以小组形式开展，课外分组完成，采用集中展示、答辩的方式评价。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1平时作业1050152课程实验5105203综合项目555154期末考试25151050课程目标对应分值453520100（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分作业按时完成，90%以上的作业内容齐全，针对计算机控制系统的建模、分析、计算和解答正确，掌握基本知识点，理解充分。按时完成，70%以上的作业内容齐全，针对计算机控制系统的建模、分析、计算和解答基本正确，掌握基本知识点，理解到位。延时完成，60%以上的作业内容齐全，针对计算机控制系统的建模、分析、计算和解答有误，了解基本知识点，认识到位。不交或补交，60%以下的作业内容齐全，针对计算机控制系统的建模、分析、计算和解答错误较多，不了解基本知识点，认识有偏差。2.课程实验与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分实验效果无迟到早退，实验设备使用及数据记录规范，能采用多种合适的模型和程序完成实验，能评价、鉴赏实验结果的正确性及合理性。无迟到早退，实验设备使用及数据记录比较规范，能采用合适的模型和程序完成实验，能分析、判断实验结果的正确性及合理性。无迟到早退，实验设备使用及数据记录基本规范，能采用可用的模型和程序完成实验，能认识、界定实验结果的正确性及合理性。迟到、不到或早退，实验设备使用及数据记录不规范，所采用的模型和程序不能完成预定目标或存在抄袭，不能判断实验结果的正确性及合理性。实验报告格式规范，符合课程实验报告写作要求；内容主题明确，有明确的针对实验结果的分析和讨论。格式符合课程实验报告写作要求；内容主题明确，具有较好的针对实验结果的分析和讨论。格式符合课程实验报告写作要求；内容主题基本明确，具有针对实验结果的分析和讨论。论文格式不符合课程实验报告写作要求，报告结构不完整，分析和论证不清晰。3.综合项目考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分现场演示能够拓展理论知识评价、解决课程领域相关专业问题。汇报时能清楚表述系统原理，回答问题正确。能够应用理论知识分析、评价课程领域相关专业问题。汇报时能较清楚表述系统原理，回答问题正确。能够利用理论知识描述、解释课程领域相关专业问题。汇报时能表述系统原理，大部分问题回答正确。能够根据理论知识认识、复述课程领域相关专业问题。汇报时能表述部分系统原理，能回答部分问题。项目报告比较、选取合适的系统建模和分析方法并根据实际问题加以改进、优化。格式规范，符合写作要求，主题明确，有明确的综合分析论点。参考文献充分、正文引用恰当，文献引文格式符合文献标准。无摘录摘抄痕迹，能恰当运用自己的语言组织素材，论点正确。比较、选取合适的系统建模和分析方法应用于实际问题。格式符合写作要求，主题明确，具较好的综合分析论点。参考文献充分、正文能够较好对文献进行引用。正文主题大部分运用自己的语言组织素材，论点正确。采用可行的系统建模和分析方法应用于实际问题。格式符合课程论文写作要求，主题基本明确，具较好的综合分析论点。文献引文格式基本规范。正文有部分摘抄，论点分析比较清晰。采用的系统建模和分析方法不适用或抄袭他人成果。论文格式不符合要求，论文结构不完整，论点分析不清晰。参考文献少，正文没有引用。格式不完全符合科技论文文献标准。4.期末试卷考核与评价标准根据课程目标及教学内容，设计期末考核试题，综合检验学生对课程相关知识的掌握、综合应用及解决复杂问题的能力，根据考试题目设计相应评分标准。注：(1)考勤不加分，但旷课1次扣平时分1分，扣满5分为止；(2)期末总成绩低于50分者，其总评成绩为不及格。六、教材与参考书（一）推荐教材1．《计算机