《计算机控制系统》教学大纲

《计算机控制系统》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05157181课程性质：专业选修课学分：3学分学时：48学时（理论40学时，实验8学时）先修课程：积分变换、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理后续课程：过程控制系统适用专业：测控技术与仪器开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明《计算机控制系统》是测控技术与仪器专业本科学生的专业选修课。本课程主要阐述计算机控制系统的建模、性能分析、控制器设计及控制系统仿真与实现的理论、方法和应用技术。本课程注重基本理论知识的深入学习，重点培养学生运用计算机控制系统的基本知识解决生产实际问题的能力，兼顾计算机控制领域的先进技术，培养“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的工程应用型人才。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握计算机控制系统分析和设计的基本原理及方法，能运用专业语言正确描述控制系统的功能结构和工作原理，能对线性定常系统进行建模和性能分析，进而设计符合功能需求的数字控制器。教学过程中应注重结合计算机控制系统的结构融入思政教育内容，培养学生的大局观念和爱国主义观念。课程目标2：能正确运用计算机控制系统的理论知识，针对自动控制系统的特定功能需求和系统结构、工况等具体特点，合理设计系统结构、科学选择控制策略，并利用专业软件或设备验证计算机控制系统的功能和合理性。理解有关的国家标准、行业标准、法律法规以及行业政策，并能将其运用到计算机控制系统的方案设计和具体实现中。三、课程目标与毕业要求《计算机控制系统》课程教学目标对测控技术与仪器专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识：能够将数学、自然科学、仪器科学的基本理论和专业技能用于解决复杂测控工程问题。1.1具有测控技术与仪器专业所需的数学与自然科学知识，并能将其用于解决复杂测控工程问题。课程目标1：掌握工程控制系统分析和设计的基本原理及方法，能正确描述其基本功能结构和工作原理，进而对线性定常系统进行建模和性能分析。H5.使用现代工具：能够针对复杂测控工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.1能够使用信息技术工具、测试分析仪器和专业软件，对复杂测控工程问题进行建模、仿真与预测，并能理解其局限性。课程目标2：能正确运用计算机控制系统的理论知识，针对自动化测控系统的特定功能需求和系统结构、工况等具体特点，合理设计系统结构、科学选择控制策略，并利用专业软件或设备验证计算机控制系统的功能和合理性。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标计算机控制系统概述1.1计算机控制系统的基本结构和特点1.2计算机控制系统的分类和发展趋势教学要求：使学生掌握计算机控制系统的基本结构及特点，了解计算机控制系统的分类和发展历程，进而掌握计算机控制系统的技术沿革规律和发展趋势。重点：计算机控制系统的结构组成和发展趋势。难点：计算机控制系统的结构特点。4012.信号转换与Z变换2.1计算机控制系统中的信号转换及工程化技术2.2Z变换与Z反变换教学要求：使学生掌握计算机控制系统信号的转换关系；掌握采样过程的相关概念、实现方法及关键参数；掌握香农采样定理；掌握零阶保持器与一阶保持器的概念和时域表示形式；掌握z变换和z反变换的计算方法。重点：采样过程的实现方法及关键参数；香农（shannon）采样定理；零阶保持器的时域表示形式、重要意义、用途及其传递函数；z变换和z反变换的定义及计算方法。难点：信号转换关系；频率混叠现象；z变换和z反变换的计算方法。6013.计算机控制系统数学描述与性能分析3.1线性常系数差分方程与脉冲传递函数；3.2计算机控制系统稳定性分析与代数稳定性判据；3.3计算机控制系统稳态过程分析；3.4计算机控制系统暂态过程分析教学要求：使学生理解差分方程的含义及其求解方法；理解脉冲传递函数的含义，掌握计算机控制系统开环脉冲传递函数、闭环脉冲传递函数和闭环误差脉冲传递函数的的建立方法；深刻理解s平面与z平面的映射关系；能正确运用代数判据判断线性定常离散控制系统的稳定性；掌握系统稳态误差与误差系数、系统类型的关系；了解采样周期对系统暂态性能的影响。重点：脉冲传递函数的建立；线性定常离散控制系统的稳定性分析；线性定常离散控制系统的稳态指标计算；线性定常离散控制系统的暂态过程分析及暂态指标计算。难点：线性定常离散控制系统的稳态指标计算；线性定常离散控制系统的暂态过程分析及暂态指标计算。6214.数字控制器的模拟化设计方法4.1数字控制器模拟化设计方法基本原理4.2连续控制器的离散化方法4.3数字PID控制器设计4.4Smith预估控制教学要求：使学生掌握数字控制器模拟化设计方法的基本思路、适用条件和一般步骤；掌握数字PID控制算法的位置式算法和增量式算法；掌握改进PID算法的基本思路和算法特点；掌握数字Smith预估控制器的设计思路及设计方法；掌握数字PID控制器的参数整定方法。重点：数字控制器模拟化设计方法的基本思路、适用条件和一般步骤；数字PID控制算法的位置式算法和增量式算法；改进PID算法的基本思路和算法特点；数字PID控制器的参数整定方法。难点：改进PID算法的基本思路和算法特点；数字Smith预估控制器的设计思路及设计方法。10215.数字控制器的直接设计方法5.1数字控制器直接设计方法基本原理5.2最小拍控制器的设计方法5.3最小拍控制器的工程化改进5.4大林算法及其工程应用5.5数字控制器的程序实现教学要求：使学生掌握数字控制器直接设计方法的基本思路、适用条件和一般步骤；掌握最小拍控制器的设计方法和特点；掌握最小拍控制器的工程化改进思路及方法；掌握大林算法的基本思想及工程应用；理解数字控制器的程序实现思路。重点：数字控制器直接设计方法的基本思路、适用条件和一般步骤；最小拍控制器的设计方法和特点；最小拍控制器的工程化改进思路及方法；大林算法的基本思想及工程应用。难点：最小拍控制器的设计方法和特点；最小拍控制器的工程化改进思路及方法；大林算法的基本思想及工程应用。10016.计算机控制系统的设计与实现6.1计算机控制系统设计原则与方法6.2计算机控制系统的硬件设计6.3计算机控制系统的软件设计6.4计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术教学要求：使学生掌握计算机控制系统的基本设计原则和思路；了解计算机控制系统硬件设计的基本思路和关键技术；了解计算机控制系统软件设计的基本思路和关键技术；掌握计算机控制实现中常用的抗干扰技术。重点：计算机控制系统的基本设计原则和思路；计算机控制实现中常用的抗干扰技术。难点：计算机控制实现中常用的抗干扰技术。441、2合计4082.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.离散控制系统的稳定性分析实验内容：离散控制系统的稳定性分析。实验要求：深刻理解采样周期对离散系统稳定性的影响；掌握利用专业软件分析线性定常离散控制系统稳定性的基本方法。212.模拟量输入通道的设计实验内容：模拟量输入通道的功能及工业实现。实验要求：深刻理解模拟量输入通道的作用及结构；掌握及核心功能电路及其物理实现方法。423.数字PID控制器的设计仿真实验内容：掌握数字PID控制器设计的基本方法；利用仿真软件，深刻理解数字PID控制器各参数对系统性能的影响；设计满足系统控制要求的数字PID控制器。实验要求：掌握常规PID控制算法的基本原理；深刻理解数字PID控制器参数变化对系统性能的影响；掌握PID参数整定的常用方法。21、2合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学和案例教学等多种方法，促进学生积极独立思考，开发学生的学习分析潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练；安排习题课，巩固课堂所学知识。实验教学着重讲授如何用科学的手段来完成理论的验证；如何组织实验、处理数据和分析实验现象；介绍常用软件的基本用法以及相关的理论知识、实验思路和方案设计等。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按要求操作设备、开展实验；实验结束后，按规程妥善关闭实验设备；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：刘建昌等.计算机控制系统[M].北京：科学出版社，2022.2.参考书：（1）高金源，夏洁.计算机控制系统[M].北京：清华大学出版社，2007.（2）康波，李云霞.计算机控制系统[M].北京：电子工业出版社，2015.（3）顾德英.计算机控制技术与系统[M].北京：北京邮电大学出版社，2020.3.期刊：（1）自动化学报.中国自动化学会，中国科学院自动化所（2）控制理论与应用.华南理工大学，中国科学院数学与系统科学研究院（3）控制工程.东北大学4.网络资源：（1）中国工控网：（2）OFweek工控网：/（3）国家高等教育智慧教育平台：/course/6260b217f29a9e60d0f26de9七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况、课堂回答问题情况和随堂练习完成情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√64阶段测试10（1）阶段测试包含期中测试、随堂测试等形式，以其在过程性考核成绩中所占的比例计入过程性考核成绩。（2）主要考核离散控制系统数学模型的建立、稳定性分析、离散控制系统稳态性能分析和动态性能分析等。√10实验10（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√46作业10（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√64期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核离散控制系统的模型解算、稳定性分析、稳态性能和动态性能分析；解决过程通道设计相关的工程问题的能力；针对具体的控制对象，按照控制要求设计数字控制器的能力。（3）考试题型为：填空题、单选题、判断题、分析题和设计题等。√√4020合计：100分6634八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、阶段测试、实验、作业、期末考核等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末考核成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末考核采用试卷形式，卷面成绩为100分（权重60%），试题类型可采用填空题、选择题、判断题、计算题、分析题和设计题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；过程性评价采用课堂表现、阶段测试、实验、作业等形式，过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性评价和考试试题分值分配与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，偶尔参与教学活动。上课不认真，不参与教学活动。阶段测试25含期中考试、随堂测试等阶段性测试成绩。作业25作业完整，思路清晰，准确率大于90%，字迹工整。作业完整，准确率大于80%，字迹工整。作业完整，准确率大于70%.