5.5 数字PID控制器的参数整定 ? 目标及要求：
1）了解计算机控制系统的模拟化设计基本思路和适用条件，掌握模拟化设计方法的一般步骤，重点掌握零阶保持器对输出的影响；
2）掌握模拟控制器的离散化方法，包括：冲激不变法、加零阶保持器的Z变换法、后向/前向差分变换法和双线性变换法，会用这些方法求解离散化的控制器；?
3）掌握PID控制器的定义，掌握数字PID控制器的Z传递函数，掌握比例调节器、掌握比例积分调节器、比例积分微分调节器的控制作用特点，掌握数字PID控制算法的位置式算法和增量式算法；?
4）掌握改进PID算法的基本原理和设计思路，包括：积分分离PID、不完全微分PID、微分先行PID、带死区的PID、抗积分饱和PID；
5）掌握数字PID控制的比例系数、积分时间和微分时间对系统的动态特性和稳态性能的影响，掌握应用试凑法、扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的PID参数整定步骤。 ? 作业内容：
模拟控制器的离散化方法 ? 自学拓展：
查阅相关文献，结合所学PID相关知识，撰写与PID相关的科技报告。
6、线性离散系统状态空间分析（12 学时）（支撑教学目标2和教学目标5）
6.1 线性离散系统状态空间表达式
6.1.1 由差分方程导出离散状态空间表达式 6.1.2 由Z传递函数建立离散状态空间表达式 6.2 连续状态方程的离散化
6.3 线性离散散系统的传递函数矩阵和特征值 6.4 线性离散系统性能分析
6.4.1 稳定性 6.4.2 可控性 6.4.3 可测性 ? 目标及要求：
1）掌握由差分方程求解状态方程的方法，掌握由并行程序法、串行程序法和直接程序法求状态方程的方法；
2）掌握连续状态方程的离散化方法；?
3）掌握线性定常系统的状态方程和输出方程的一般形式，掌握离散系统的特征方程，掌握状态方程与传递函数距阵的关系，知道特征方程的为特征值，也为系统的极点；?
4）掌握并应用基于状态空间表达式的线性离散系统稳定的充要条件，掌握系统可控性、可测性的含义，掌握并应用线性离散系统的可控性、可测性的充要条件。?? ? 讨论内容：
状态空间表示法与传递函数的不同之处。 ? 作业内容：
1、状态方程及输出方程的表示
2、基于状态空间表示的稳定性、可控性和可测性 7、实验一：A/D与D/A转换（2学时）（支撑教学目标1）
7.1 实验平台“THKKL—6”试验箱基本操作
7.2 典型模拟信号（阶跃信号、斜坡信号）的离散化 ? 目标及要求：
1）了解实验平台的结构和基本使用方法，包括电源、基本元器件、Easy 51Pro软件和虚拟示波器等；
2）了解模拟通道中模数转换与数模转换的实现方法和结果。 8、实验二：数字PID调节器算法研究实验（2学时）（支撑教学目标4）
8.1 利用本实验箱，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控
制系统
8.2 采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能
8.3 对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数 ? 目标及要求：
1）学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理； 2）学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；
3）掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。 9、实验三：离散化方法研究实验（2学时）（支撑教学目标4）
9.1 利用实验箱，设计一个数－模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)
离散化后所编写的程序对系统进行控制
9.2 研究采样周期变化时，不同离散化的方法对闭环控制系统性能的影响 9.3 对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究 ? 目标及要求：
1）学习并掌握数字控制器的设计方法；
2）熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法；
3）通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。 10、实验四：最少拍控制算法实验（2学时）（支撑教学目标3）
10.1 设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制
10.2 设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除 ? 目标及要求：
1）学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；
2）研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；
3）熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。
三、教学方法
在教学方式上，根据具体教学内容，综合运用课堂讲授和演示、课堂讨论、课堂练习、发现学习法和自学指导法，通过引入问题和启发式教学，使学生更加明确教学内容的知识体系，引导学生主动学习，激发内在学习动机，提高课堂的积极性。在目前的实验教学条件基础上，及时采用实验练习法，强化所学知识的理解和运用，培养学生解决实际问题的能力。在实验教学过程中，引导学生发现问题，思考解决方案，为后续教学内容作铺垫。
教学内容体系、前后关联和相关重点
稳定性、过渡过程、稳态误差（9学时）可控性、可测性（3学时）基本概念，香浓采样定理，零阶保持器，采样周期（3学时）Z传递函数与差分方程（14学时）状态空间表示（9学时）系统性能计算机控制系统数学模型控制器设计实验1：A/D与D/A（2学时）实验2：数字PID（2学时）实验3：控制器的离散化（2学时）实验4：最少拍控制（2学时）离散化设计：最少拍控制器（12学时）模拟化设计：PID控制（14学时）
结合具体教学内容，本课程所采用的教学方法说明如下：
1. 计算机控制系统概论。教学内容主要是对于所学课程的概述性介绍以及计算机控制系统中的关键技术—信号的采样与恢复。在教学中采用讲授法、演示法、讨论法和实验练习法相结合，将抽象问题具体化，增加学生对于课程学习的兴趣。在讲授原理的基础上，通过一些实际工程例子，加深学生对于计算机控制系统的认识以及对于采样周期的选择原则；通过实验一使得学生对于A/D与D/A技术有一个更直观的概念；此外，鼓励学生结合相关所学知识来谈一谈计算机控制技术的兴起对于我们生活的改变以及其未来的发展趋势。
2. 计算机控制系统的分析和线性离散系统状态空间分析。教学内容与前置课程（自动控制原理、现代控制理论）具有一定的关联性。在教学中采用讲授法、演示法和讨论法相结合。在讲授系统性能指标基础上，通过演示简单的数值算例，加深学生对于各性能指标的认识。此外，在课程中引导学生思考和讨论离散系统与连续系统在个性能指标的计算上有何异同，以及两者在状态空间表示上的差异，加深学生对于离散系统的理解和认识。
3. Z变换及Z传递函数。教学内容涉及较多的定理定义和理论推导，内容比较抽象，且具有一定的难度。教学中采用讲授法和发现学习法相结合。例如，在开始教学时，我们仅基本Z变换和Z反变换部分分式法的基本原理和过程，然后通过例题引导学生发现齐次和分子带有常数项的特殊解法，从而加深学生对于定理定义的理解。发现学习法也可被用于差分方程求解、Z传递函数，初值、终值定理的教学环节中。
4. 计算机控制系统的离散化设计和模拟化设计。教学内容主要涉及离散系
统下的控制器设计和实现，具有一定的实际应用性。教学中主要采用讲授法、实验法和自学指导法相结合。组织教学内容时，首先使学生掌握数字PID和最少拍控制器的基础应用，然后通过实验二、三和四培养学生的实际动手能力，提高其对于控制器设计过程的认识。由于课时有限，对于离散系统的控制器设计仅仅能涉及一些基本内容，要求学生根据其自身所感兴趣的具体应用，查阅相关参考资料，撰写与离散系统控制算法相关的科技论文一篇，从而引导学生自学拓展，强化对学生理论与实际结合的能力、工程问题分析能力的培养。
在教学方法的实际执行过程中，每个教学环节都应具有明确的目的性。同时，以上教学方法需要根据教学过程中的实际效果、学生对知识点的掌握和应用情况不断改进。教学效果不好、学生对知识点理解程度不高时，应适当调整教学方法，适当增加演示法或实验训练法，或在讲授后续教学内容时，引导学生前后联系，结合前置难点内容进行讨论，强化知识掌握。在学生对知识掌握情况较好，系统性较好、实验训练效果较好的情况下，适当提高教学内容或实验内容的难度，或增加发现学习法和自学指导法，设置具体应用问题，引导学生探索解决方案。
四、考核及成绩评定方式
考核方式：闭卷笔试，平时测验及作业，实验报告
成绩评定方式：期中成绩10%，平时成绩10%，实验报告20%，期末成绩60%
五、教材及参考书目
教材：
姜学军，刘新国，李晓静. 计算机控制技术，清华大学出版社，2009. 参考书目：
[1] 何克忠. 计算机控制系统，清华大学出版社，2001.
[2] 高金源. 计算机控制系统—理论、设计与实现，北京航天航空大学出版
社，2001.
[3] 刘恩沧. 计算机控制系统分析与设计，华中科技大学出版社，2001. [4] 薛弘晔. 计算机控制技术，西安电子科技大学出版社，2003. [5] 杨劲松，张涛. 计算机工业控制，中国电力出版社，2003. [6] 杨立. 计算机控制与仿真，清华大学出版社，2006. [7] 施保华. 计算机控制技术，华中科技大学出版社，2007.
2016年7月修订
计算机控制系统课程教学大纲
