《计算机控制系统》课程教学大纲
课程名称：计算机控制系统 英文名称：Computer Control System 课程性质：专业学位课程 开课学期：第7学期
适用专业：电气工程及其自动化
先修课程：复变函数与积分变换、信号与系统、自动控制原理 后续课程：无
开课单位：机电工程学院 大纲执笔人：杨歆豪
课程负责人：杨歆豪 大纲审核人：余雷
学分/学时：4学分/72学时(54+18)
课程代码：ELEA3042
一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）
课程性质：计算机控制系统是电气工程及其自动化专业的一门专业学位课程。本课程针对电气工程及其自动化专业的特点，以离散控制理论等基础知识为主，同时结合自动控制理论、现代控制理论和复变函数等概念，并且以实际应用为导向，培养学生熟练的运算能力及进行科学分析、归纳和总结的能力，提高分析问题和解决问题的能力，从而为以后的从事实际工作和科学研究奠定一定的基础。
教学目标：计算机控制系统就是将计算机作为系统的控制器，从而实现对生产对象的有效控制，所以在本质上计算机控制讨论的就是系统的离散控制。本课程的主要内容包括：信号的离散和恢复，Z变换与Z反变换，差分方程及其求解，离散系统的传递函数、状态方程，系统的稳定性、过渡过程和稳态误差，系统的离散化设计和模拟化设计，数字PID技术和改进，离散系统的能控性和可测性。通过本课程的学习，要使学生了解和掌握计算机控制的基本概念、工作原理、初步分析、具有实用价值的设计方法，培养学生完成简单计算机控制系统构成、实时软件编制以及系统调试维护的基本能力，为毕业后参与计算机控制系统开发、调试和维护打下初步基础。
本课程的具体教学目标如下：
1. 了解计算机控制系统的定义、分类、结构和组成，较好的掌握香农采样定理和零阶保持器，理解计算机控制系统的本质是离散控制系统，从而掌握线性离散系统的数学描述（差分方程、Z传递函数）和分析方法（Z变换、Z反变换）；
2. 领会S平面与Z平面的映射关系，掌握线性离散系统的稳定域，熟练灵活运用线性离散系统的稳定性判据，能够利用Z传递函数分析离散系统的过渡过程特性和离散系统的误差特性，能够利用系统的离散状态方程和输出方程分析系统的能控性和可测性；
3. 了解离散化设计方法的基本思路，重点掌握最少拍设计方法及其改进算法那，掌握数字控制器计算机程序实现的三种方法：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法，会应用这三种方法得到数字控制器的差分方程表达式；
4. 了解计算机控制系统的模拟化设计思路及其成立的条件，掌握模拟控制器的各种离散化方法，并会用来求解数字控制器，重点掌握数字PID控制方法，了解数字PID控制的各种改进方法以及参数整定方法。
5. 了解并掌握基于差分方程和Z传递函数的离散状态空间表达式建立过程，掌握线性定常系统状态方程和输出方程的离散化方法，掌握离散系统的特征方程以及状态方程与传递函数距阵的关系，了解线性离散系统离散状态方程的求解方法。
教学目标与毕业要求的对应关系：
毕业要求 指标点 课程目标 对应关系说明 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），并能从实教学目标1 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）。 基于离散化设计思路将最少拍教学目标3 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教学目标4 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，所以将状态空间表教学目标5 示法引入计算机控制系统中，尝试解决一些复杂的实际工程问题。 从系统的稳定性，动态、静态性能指标以及能控性、可测性教学目标2 的角度出发，提高系统的控制性能和安全系数。 1-2掌握自动控制、计算机、毕业要求1： 检测技术与仪表的基础知工程知识 识，能用于自动化系统的反馈和控制问题 3-1 能针对复杂问题进行调毕业要求3： 研并明确约束条件，完成电设计/开发解气或自动化系统的软硬件需决方案 求分析 6-2 理解电气工程对工业自毕业要求6： 动化、智能制造和社会进步工程与社会 的影响，并理解电气工程实践承担的社会责任 7-2能针对实际自动化项目，毕业要求7： 评价效率，制订安全防范措环境和课持施，判断产品可能对人类造续发展 成的损害，并能够表达自己见解与认知 二、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容
和要求，指明重点内容和难点内容。重点内容：?；难点内容：?） 1、计算机控制概论 （3 学时）（支撑教学目标1）
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统的一般概念 1.1.2 计算机控制系统的组成 1.1.3 计算机控制系统的分类 1.1 4 计算机控制系统的特点 1.2 信号的采样与恢复
1.2.1 信号的采样过程（香农采样定理） 1.2.2 信号的恢复过程（零阶保持器） 1.3 计算机控制系统发展趋势 ? 目标及要求：
1）掌握自动控制系统的基本结构形式、主要构成环节、系统的结构图，掌握计算机控制系统的定义、主要构成环节、系统的结构图，掌握计算机控制系统中计算机的作用；
2）掌握计算机控制系统的组成、相互关系及其在计算机控制系统中的作用，掌握过程通道在计算机控制系统中的作用和过程通道的基本类型；
3）掌握根据计算机控制系统中的控制功能和控制目的计算机控制系统的分类及其与与一般模拟控制系统相比具有的优点；
4）掌握什么是采样过程，掌握采样开关是实现采样过程的关键，掌握香农（shannon）采样定理，掌握采样周期选择的几个原则；?
5）知道采样保持器是将数字序列恢复乘连续信号的装置，掌握零阶保持器和一阶保持器的时域表示形式，会推导零阶保持器的传递函数，知道计算机控制中最广泛采用的是零阶保持器。? ? 讨论内容：
结合本学科的相关专业知识，讨论计算机控制系统的发展趋势。
2、Z变换及Z传递函数（14学时）（支撑教学目标1）
2.1 Z变换定义与常用信号Z变换
2.1.1 级数求和法 2.1.2 部分分式法
2.1.3 常用信号的Z变换 2.2 Z变换的性质和定理 2.3 Z反变换
2.3.1 部分分式法 2.3.2 留数法
2.4 线性定长离散系统的差分方程及其求解 2.5 Z传递函数
2.5.1 Z传递函数的定义 2.5.2 Z传递函数的求法
2.5.3 开环Z传递函数 2.5.4 闭环Z传递函数
2.5.5 Z传递函数的物理可实现性 ? 目标及要求：
1）掌握Z变换和Z反变换的定义，掌握级数求和法和部分分数法计算Z变换的方法，掌握并会应用长除法、部分分式法和留数法计算Z反变换；?? 2）掌握Z变换的线性定理、滞后定理和超前定理，掌握Z变换的初值定理和终值定理，并会应用初值定理和终值定理计算初值和终值，初步掌握Z变换的卷积定理、求和定理、位移定理、位移定理和微分定理；
3）了解差分方程是描述线性定常离散系统的工具，差分方程是离散系统时域分析的基础，计算机控制系统本质是离散系统，会熟练求解差分方程； 4）掌握Z传递函数的定义及其与脉冲响应函数的关系，掌握根据控制系统的传递函数G(s)求Z传递函数的步骤，并会根据该步骤计算Z传递函数；? 5）掌握串联环节、并联环节的Z传递函数的计算方法，了解闭环Z传递函数结构形式的多样性，能够推导结构简单的离散系统的闭环Z传递函数，理解系统物理可实现性的概念。? ? 作业内容：
1、Z变换和Z反变换 2、初值定理和中值定理 3、差分方程求解
4、系统闭环传递函数求解
3、计算机控制系统的分析（9 学时）（支撑教学目标2）
3.1 离散系统的稳定性分析
3.1.1 离散系统稳定的充要条件 3.1 2 Routh稳定判据 3.2 离散系统的过渡响应分析 3.3 离散系统的稳态准确度分析 ? 目标及要求：
1）了解S平面与Z平面之间的相互映射关系，掌握离散系统稳定的充要条件和Routh稳定判据，能熟练判定离散系统的稳定性；??
2）掌握控制系统的过渡过程的定义，掌握离散系统的时间响应与各个极点时间响应的关系，掌握离散系统的Z传递函数与单位脉冲响应函数的关系，会求解系统的输出；?
3)了解连续系统稳态误差计算的方法，会推导单位负反馈离散系统的闭环误差Z传递函数，并根据此应用终值定理求稳态误差，掌握在给定传递函数的基础上，计算系统在单位阶跃输入、单位速度输入、单位加速度输入下系统的稳态误差。 ? 讨论内容：
与自动控制原理所学内容进行比较，分析连续系统和离散系统在计算系统控制性能时的不同之处。 ? 作业内容：
1、系统稳定性分析和参数待定 2、求解系统的输出 3、稳态误差计算
4、计算机控制系统的离散化设计（12 学时）（支撑教学目标3）
4.1 最少拍计算机控制系统的设计
4.1.1 基本概念
4.1.2 广义最少拍控制器设计 4.1.3 无波纹最少拍控制器设计 4.2 数字控制器的计算机程序实现
4.2.1 直接程序法
4.2.2 改进型直接程序法 4.2.3 串行程序法 4.2.4 并行程序法 ? 目标及要求：
1）理解离散化设计的基本思路，掌握最少拍设计的定义，掌握在典型输入下，最少拍数字控制器的确定；?
2）了解最少拍系统的不足之处，会设计广义最少拍控制器和无波纹最少拍控制器；?
3）掌握数字控制器计算机程序实现的三种方法：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法，会应用这三种方法得到数字控制器的差分方程表达式。 ? 作业内容：
1、最少拍控制器设计
2、控制器程序框图及控制器的差分方程表达
5、计算机控制系统的模拟化设计（14 学时）（支撑教学目标4）
5.1 概述
5.2 模拟控制器的离散化方法
5.2.1 冲激不变法
5.2.2 加零阶保持器的Z变换法 5.2.3 差分变换法 5.2.4 双线性变换法 5.3 数字PID控制
5.3.1 PID控制的基本形式及数字化 5.3.2 数字PID控制器的控制效果 5.3.3 数字PID控制算法 5.4 数字PID控制算法的改进 5.4.1 积分分离PID控制算法 5.4.2 不完全微分PID算法 5.4.3 微分先行PID算法 5.4.4 带死区的PID控制 5.4.5 抗积分饱和PID算法
计算机控制系统课程教学大纲
