《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》教學(xué)大綱

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》教學(xué)大綱課程編號(hào)：13180418英文名稱：ComputerControl學(xué)分：2學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，其中理論24學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)先修課程：自動(dòng)控制原理，傳感器與檢測(cè)原理，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程類別：專業(yè)拓展課程授課對(duì)象：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)本課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)拓展課程，結(jié)合離散控制系統(tǒng)原理、單片機(jī)/PLC技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)，以實(shí)際工程應(yīng)用為導(dǎo)向，介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)方法，以及運(yùn)用相關(guān)理論和方法來(lái)解決工業(yè)實(shí)踐和科學(xué)研究中遇到的實(shí)際問(wèn)題。目的是強(qiáng)化連續(xù)系統(tǒng)自動(dòng)控制既得知識(shí)，深化教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能解決各種實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，特別是數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等方向的實(shí)際工程問(wèn)題的能力。本課程擬達(dá)到的課程目標(biāo):課程目標(biāo)1：掌握常用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的Z變換分析方法、離散控制技術(shù)及其穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能，用于控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、改進(jìn)、建模和算法設(shè)計(jì)等復(fù)雜工程問(wèn)題。課程目標(biāo)2：掌握實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用的直接數(shù)值控制、連續(xù)域離散化設(shè)計(jì)和直接離散化設(shè)計(jì)等多種解決方案，以及其他典型的前沿控制策略，能夠借助文獻(xiàn)選擇替代的優(yōu)化方案。課程目標(biāo)3：能運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中的影響因素，通過(guò)歸納總結(jié)，分析、選擇恰當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ?、控制算法、設(shè)計(jì)方式和參數(shù)。二、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重1.3能夠?qū)?fù)變函數(shù)與積分變換、最優(yōu)決策等相關(guān)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于分析電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)工程問(wèn)題；課程目標(biāo)1M4.4能夠運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、電力系統(tǒng)分析或其他相關(guān)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，合理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標(biāo)2H12.1緊跟電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，認(rèn)識(shí)到自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的必要性。課程目標(biāo)3L（注：要求課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)支撐）三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配（一）理論教學(xué)序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點(diǎn)（含德育要求）學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1緒論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概念、組成、典型應(yīng)用、設(shè)計(jì)問(wèn)題、可靠性問(wèn)題和抗干擾問(wèn)題基本要求：理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要模式和優(yōu)缺點(diǎn)，掌握計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)操作的特點(diǎn)。重點(diǎn)難點(diǎn)：掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用模式和特點(diǎn)。難點(diǎn)是區(qū)分計(jì)算機(jī)控制和模擬控制系統(tǒng)的異同。德育要求：歷史責(zé)任2集中講授文獻(xiàn)閱讀1、2、32過(guò)程通道模擬量/數(shù)字量的輸入輸出通道；ADC與DAC、采樣過(guò)程、信號(hào)調(diào)理基本要求：掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通道類型；掌握采樣過(guò)程、采樣周期選擇及零階保持器；掌握信號(hào)的恢復(fù)和重構(gòu)、多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器、ADC和DAC的應(yīng)用。重點(diǎn)難點(diǎn)：模擬量的輸入輸出通道，以及ADC與DAC的應(yīng)用；難點(diǎn)是通道中信號(hào)的處理、調(diào)理及變換。德育要求：工匠精神4集中講授課后作業(yè)1、23數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)值控制基礎(chǔ)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)基本要求：理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中直接數(shù)值控制的工作原理，掌握各種插補(bǔ)技術(shù)，理解數(shù)控機(jī)床中常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作原理。重點(diǎn)是掌握直線插補(bǔ)技術(shù)和圓弧插補(bǔ)技術(shù)。重點(diǎn)難點(diǎn)：插補(bǔ)過(guò)程的偏差更新和進(jìn)給反向。德育要求：實(shí)踐創(chuàng)新2集中講授課堂演示1、2、34控制系統(tǒng)的Z域分析Z變換和Z反變換求解差分方程Z傳遞函數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析法基本要求：掌握Z(yǔ)變換技術(shù)以及離散傳遞函數(shù)；理解離散系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域，掌握離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法，熟練使用勞斯判據(jù)、朱利判據(jù)；掌握離散系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析方法，熟練使用誤差系數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差。重點(diǎn)難點(diǎn)：掌握線性離散系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù)以及穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差分析。難點(diǎn)是基于雙線性變換的勞斯變換、系統(tǒng)的跟蹤性能分析。德育要求：探索創(chuàng)新6集中講授課后作業(yè)1、25系統(tǒng)的連續(xù)-離散化設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)的離散化方式位置式PID算法和增量型PID算法PID控制的改進(jìn)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定基本要求：掌握連續(xù)控制器的歐拉法、零極點(diǎn)匹配法等離散方法；掌握位置式和增量式PID控制算法；掌握數(shù)字PID在積分飽和和微分飽和情況下的改法、以及數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。重點(diǎn)難點(diǎn)：控制器離散化方式與PID算法，以及各種改進(jìn)PID算法。難點(diǎn)：離散化方式和算法改進(jìn)。德育要求：團(tuán)結(jié)協(xié)作6集中講授課后作業(yè)1、2、36系統(tǒng)的直接離散化設(shè)計(jì)離散化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和步驟最少拍控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最少拍有紋波控制系統(tǒng)最少拍無(wú)紋波控制系統(tǒng)非最小相位系統(tǒng)的最小拍控制基本要求：掌握離散化直接設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)步驟；掌握典型輸入信號(hào)作用下的最小拍控制器設(shè)計(jì)方法，連接其適應(yīng)性、物理可實(shí)現(xiàn)性以及紋波的處理；掌握非最小相位系統(tǒng)的最小拍控制器的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)難點(diǎn)：有紋波/無(wú)紋波最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；難點(diǎn)是非最小相位系統(tǒng)的最小拍設(shè)計(jì)。德育要求：服務(wù)社會(huì)4集中講授課后作業(yè)1、2、3合計(jì)24（二）課程實(shí)驗(yàn)序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求學(xué)時(shí)類型對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1離散系統(tǒng)建模掌握離散系統(tǒng)差分方程模型；能夠基于Z變換技術(shù)完成給定系統(tǒng)的離散化，求解差分方程。2驗(yàn)證1、22模擬量輸入通道掌握離散系統(tǒng)的模擬量輸入通道，能根據(jù)要求配置ADC參數(shù)，編寫VHDL程序，完成模擬量輸入ADC的轉(zhuǎn)換功能。3設(shè)計(jì)1、23離散系統(tǒng)特性分析掌握離散系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的分析方法；編寫程序，完成系統(tǒng)功能分析和比較。2驗(yàn)證1、24PID及其改進(jìn)算法掌握數(shù)字PID和模擬PID控制區(qū)別，理解不同離散化方法和采樣周期對(duì)數(shù)字PID影響。3驗(yàn)證1、25步進(jìn)電機(jī)數(shù)值控制掌握數(shù)字程序控制原理，熟悉步進(jìn)電機(jī)及FPGA硬件資源的使用方法。3設(shè)計(jì)1、2、36直流電機(jī)閉環(huán)控制理解直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)；掌握采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響；掌握電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。3設(shè)計(jì)1,2,3合計(jì)16注：實(shí)驗(yàn)要求包括必修、選修；實(shí)驗(yàn)類型包括演示、驗(yàn)證、綜合、設(shè)計(jì)等。四、課程教學(xué)方法（1）理論學(xué)習(xí)以集中授課的形式為主，線上與線下的課外討論為輔；（2）課程實(shí)驗(yàn)以集中講解、上機(jī)操作的形式開(kāi)展，通過(guò)實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)；（3）綜合項(xiàng)目以小組形式開(kāi)展，課外分組完成，采用集中展示、答辯的方式評(píng)價(jià)。五、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核方式及具體要求序號(hào)教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計(jì)1平時(shí)作業(yè)1050152課程實(shí)驗(yàn)5105203綜合項(xiàng)目555154期末考試25151050課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)分值453520100（二）考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.平時(shí)成績(jī)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分作業(yè)按時(shí)完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建模、分析、計(jì)算和解答正確，掌握基本知識(shí)點(diǎn)，理解充分。按時(shí)完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建模、分析、計(jì)算和解答基本正確，掌握基本知識(shí)點(diǎn)，理解到位。延時(shí)完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建模、分析、計(jì)算和解答有誤，了解基本知識(shí)點(diǎn)，認(rèn)識(shí)到位。不交或補(bǔ)交，60%以下的作業(yè)內(nèi)容齊全，針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建模、分析、計(jì)算和解答錯(cuò)誤較多，不了解基本知識(shí)點(diǎn)，認(rèn)識(shí)有偏差。2.課程實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分實(shí)驗(yàn)效果無(wú)遲到早退，實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄規(guī)范，能采用多種合適的模型和程序完成實(shí)驗(yàn)，能評(píng)價(jià)、鑒賞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性及合理性。無(wú)遲到早退，實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄比較規(guī)范，能采用合適的模型和程序完成實(shí)驗(yàn)，能分析、判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性及合理性。無(wú)遲到早退，實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄基本規(guī)范，能采用可用的模型和程序完成實(shí)驗(yàn)，能認(rèn)識(shí)、界定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性及合理性。遲到、不到或早退，實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用及數(shù)據(jù)記錄不規(guī)范，所采用的模型和程序不能完成預(yù)定目標(biāo)或存在抄襲，不能判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性及合理性。實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式規(guī)范，符合課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作要求；內(nèi)容主題明確，有明確的針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論。格式符合課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作要求；內(nèi)容主題明確，具有較好的針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論。格式符合課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作要求；內(nèi)容主題基本明確，具有針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論。論文格式不符合課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作要求，報(bào)告結(jié)構(gòu)不完整，分析和論證不清晰。3.綜合項(xiàng)目考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分現(xiàn)場(chǎng)演示能夠拓展理論知識(shí)評(píng)價(jià)、解決課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問(wèn)題。匯報(bào)時(shí)能清楚表述系統(tǒng)原理，回答問(wèn)題正確。能夠應(yīng)用理論知識(shí)分析、評(píng)價(jià)課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問(wèn)題。匯報(bào)時(shí)能較清楚表述系統(tǒng)原理，回答問(wèn)題正確。能夠利用理論知識(shí)描述、解釋課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問(wèn)題。匯報(bào)時(shí)能表述系統(tǒng)原理，大部分問(wèn)題回答正確。能夠根據(jù)理論知識(shí)認(rèn)識(shí)、復(fù)述課程領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)問(wèn)題。匯報(bào)時(shí)能表述部分系統(tǒng)原理，能回答部分問(wèn)題。項(xiàng)目報(bào)告比較、選取合適的系統(tǒng)建模和分析方法并根據(jù)實(shí)際問(wèn)題加以改進(jìn)、優(yōu)化。格式規(guī)范，符合寫作要求，主題明確，有明確的綜合分析論點(diǎn)。參考文獻(xiàn)充分、正文引用恰當(dāng)，文獻(xiàn)引文格式符合文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)摘錄摘抄痕跡，能恰當(dāng)運(yùn)用自己的語(yǔ)言組織素材，論點(diǎn)正確。比較、選取合適的系統(tǒng)建模和分析方法應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。格式符合寫作要求，主題明確，具較好的綜合分析論點(diǎn)。參考文獻(xiàn)充分、正文能夠較好對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行引用。正文主題大部分運(yùn)用自己的語(yǔ)言組織素材，論點(diǎn)正確。采用可行的系統(tǒng)建模和分析方法應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。格式符合課程論文寫作要求，主題基本明確，具較好的綜合分析論點(diǎn)。文獻(xiàn)引文格式基本規(guī)范。正文有部分摘抄，論點(diǎn)分析比較清晰。采用的系統(tǒng)建模和分析方法不適用或抄襲他人成果。論文格式不符合要求，論文結(jié)構(gòu)不完整，論點(diǎn)分析不清晰。參考文獻(xiàn)少，正文沒(méi)有引用。格式不完全符合科技論文文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。4.期末試卷考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)課程目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)期末考核試題，綜合檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)的掌握、綜合應(yīng)用及解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，根據(jù)考試題目設(shè)計(jì)相應(yīng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。注：(1)考勤不加分，但曠課1次扣平時(shí)分1分，扣滿5分為止；(2)期末總成績(jī)低于50分者，其總評(píng)成績(jī)?yōu)椴患案?。六、教材與參考書（一）推薦教材1．《計(jì)算機(jī)