《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》教學(xué)大綱

《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05157181課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)（理論40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)）先修課程：積分變換、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理后續(xù)課程：過(guò)程控制系統(tǒng)適用專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器開課單位：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院一、課程說(shuō)明《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)選修課。本課程主要闡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的建模、性能分析、控制器設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)的理論、方法和應(yīng)用技術(shù)。本課程注重基本理論知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力，兼顧計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強(qiáng)能力”的工程應(yīng)用型人才。二、課程目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本原理及方法，能運(yùn)用專業(yè)語(yǔ)言正確描述控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和工作原理，能對(duì)線性定常系統(tǒng)進(jìn)行建模和性能分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)符合功能需求的數(shù)字控制器。教學(xué)過(guò)程中應(yīng)注重結(jié)合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)融入思政教育內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的大局觀念和愛(ài)國(guó)主義觀念。課程目標(biāo)2：能正確運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)，針對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特定功能需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工況等具體特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、科學(xué)選擇控制策略，并利用專業(yè)軟件或設(shè)備驗(yàn)證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能和合理性。理解有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)以及行業(yè)政策，并能將其運(yùn)用到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)中。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見(jiàn)表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識(shí)：能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、儀器科學(xué)的基本理論和專業(yè)技能用于解決復(fù)雜測(cè)控工程問(wèn)題。1.1具有測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)所需的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識(shí)，并能將其用于解決復(fù)雜測(cè)控工程問(wèn)題。課程目標(biāo)1：掌握工程控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本原理及方法，能正確描述其基本功能結(jié)構(gòu)和工作原理，進(jìn)而對(duì)線性定常系統(tǒng)進(jìn)行建模和性能分析。H5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對(duì)復(fù)雜測(cè)控工程問(wèn)題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬，并能夠理解其局限性。5.1能夠使用信息技術(shù)工具、測(cè)試分析儀器和專業(yè)軟件，對(duì)復(fù)雜測(cè)控工程問(wèn)題進(jìn)行建模、仿真與預(yù)測(cè)，并能理解其局限性。課程目標(biāo)2：能正確運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)，針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的特定功能需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工況等具體特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、科學(xué)選擇控制策略，并利用專業(yè)軟件或設(shè)備驗(yàn)證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能和合理性。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類和發(fā)展趨勢(shì)教學(xué)要求：使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類和發(fā)展歷程，進(jìn)而掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)沿革規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和發(fā)展趨勢(shì)。難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。4012.信號(hào)轉(zhuǎn)換與Z變換2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換及工程化技術(shù)2.2Z變換與Z反變換教學(xué)要求：使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換關(guān)系；掌握采樣過(guò)程的相關(guān)概念、實(shí)現(xiàn)方法及關(guān)鍵參數(shù)；掌握香農(nóng)采樣定理；掌握零階保持器與一階保持器的概念和時(shí)域表示形式；掌握z變換和z反變換的計(jì)算方法。重點(diǎn)：采樣過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法及關(guān)鍵參數(shù)；香農(nóng)（shannon）采樣定理；零階保持器的時(shí)域表示形式、重要意義、用途及其傳遞函數(shù)；z變換和z反變換的定義及計(jì)算方法。難點(diǎn)：信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)系；頻率混疊現(xiàn)象；z變換和z反變換的計(jì)算方法。6013.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述與性能分析3.1線性常系數(shù)差分方程與脈沖傳遞函數(shù)；3.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)；3.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析；3.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程分析教學(xué)要求：使學(xué)生理解差分方程的含義及其求解方法；理解脈沖傳遞函數(shù)的含義，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)和閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)的的建立方法；深刻理解s平面與z平面的映射關(guān)系；能正確運(yùn)用代數(shù)判據(jù)判斷線性定常離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；掌握系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差與誤差系數(shù)、系統(tǒng)類型的關(guān)系；了解采樣周期對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)性能的影響。重點(diǎn)：脈沖傳遞函數(shù)的建立；線性定常離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；線性定常離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)計(jì)算；線性定常離散控制系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程分析及暫態(tài)指標(biāo)計(jì)算。難點(diǎn)：線性定常離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)計(jì)算；線性定常離散控制系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程分析及暫態(tài)指標(biāo)計(jì)算。6214.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法4.1數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法基本原理4.2連續(xù)控制器的離散化方法4.3數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)4.4Smith預(yù)估控制教學(xué)要求：使學(xué)生掌握數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法的基本思路、適用條件和一般步驟；掌握數(shù)字PID控制算法的位置式算法和增量式算法；掌握改進(jìn)PID算法的基本思路和算法特點(diǎn)；掌握數(shù)字Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法；掌握數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定方法。重點(diǎn)：數(shù)字控制器模擬化設(shè)計(jì)方法的基本思路、適用條件和一般步驟；數(shù)字PID控制算法的位置式算法和增量式算法；改進(jìn)PID算法的基本思路和算法特點(diǎn)；數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定方法。難點(diǎn)：改進(jìn)PID算法的基本思路和算法特點(diǎn)；數(shù)字Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法。10215.數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法5.1數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)方法基本原理5.2最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法5.3最小拍控制器的工程化改進(jìn)5.4大林算法及其工程應(yīng)用5.5數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn)教學(xué)要求：使學(xué)生掌握數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)方法的基本思路、適用條件和一般步驟；掌握最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)；掌握最小拍控制器的工程化改進(jìn)思路及方法；掌握大林算法的基本思想及工程應(yīng)用；理解數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn)思路。重點(diǎn)：數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)方法的基本思路、適用條件和一般步驟；最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)；最小拍控制器的工程化改進(jìn)思路及方法；大林算法的基本思想及工程應(yīng)用。難點(diǎn)：最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)；最小拍控制器的工程化改進(jìn)思路及方法；大林算法的基本思想及工程應(yīng)用。10016.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與方法6.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)6.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù)教學(xué)要求：使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則和思路；了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基本思路和關(guān)鍵技術(shù)；了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本思路和關(guān)鍵技術(shù)；掌握計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)中常用的抗干擾技術(shù)。重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則和思路；計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)中常用的抗干擾技術(shù)。難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)中常用的抗干擾技術(shù)。441、2合計(jì)4082.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表3。表3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。實(shí)驗(yàn)要求：深刻理解采樣周期對(duì)離散系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；掌握利用專業(yè)軟件分析線性定常離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本方法。212.模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：模擬量輸入通道的功能及工業(yè)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)要求：深刻理解模擬量輸入通道的作用及結(jié)構(gòu)；掌握及核心功能電路及其物理實(shí)現(xiàn)方法。423.數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：掌握數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)的基本方法；利用仿真軟件，深刻理解數(shù)字PID控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)控制要求的數(shù)字PID控制器。實(shí)驗(yàn)要求：掌握常規(guī)PID控制算法的基本原理；深刻理解數(shù)字PID控制器參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響；掌握PID參數(shù)整定的常用方法。21、2合計(jì)8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等多種方法，促進(jìn)學(xué)生積極獨(dú)立思考，開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)分析潛能，培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；以“少而精”為原則，精選教學(xué)內(nèi)容，精講多練；安排習(xí)題課，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重講授如何用科學(xué)的手段來(lái)完成理論的驗(yàn)證；如何組織實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；介紹常用軟件的基本用法以及相關(guān)的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)思路和方案設(shè)計(jì)等。采用教師講授和學(xué)生動(dòng)手操作的方法；在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；在實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，按要求操作設(shè)備、開展實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按規(guī)程妥善關(guān)閉實(shí)驗(yàn)設(shè)備；每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，要認(rèn)真完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、課程資源1.推薦教材：劉建昌等.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2022.2.參考書：（1）高金源，夏潔.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.（2）康波，李云霞.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.（3）顧德英.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2020.3.期刊：（1）自動(dòng)化學(xué)報(bào).中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所（2）控制理論與應(yīng)用.華南理工大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院（3）控制工程.東北大學(xué)4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）中國(guó)工控網(wǎng)：（2）OFweek工控網(wǎng)：/（3）國(guó)家高等教育智慧教育平臺(tái)：/course/6260b217f29a9e60d0f26de9七、課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐課程成績(jī)由過(guò)程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表4。表4課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)12過(guò)程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況、課堂回答問(wèn)題情況和隨堂練習(xí)完成情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭?4階段測(cè)試10（1）階段測(cè)試包含期中測(cè)試、隨堂測(cè)試等形式，以其在過(guò)程性考核成績(jī)中所占的比例計(jì)入過(guò)程性考核成績(jī)。（2）主要考核離散控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、穩(wěn)定性分析、離散控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析和動(dòng)態(tài)性能分析等?！?0實(shí)驗(yàn)10（1）根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量單獨(dú)評(píng)分，滿分100分；（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評(píng)分，取各次實(shí)驗(yàn)成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以實(shí)驗(yàn)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭?6作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。√√64期末考核60（1）卷面成績(jī)100分，以卷面成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。（2）主要考核離散控制系統(tǒng)的模型解算、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能分析；解決過(guò)程通道設(shè)計(jì)相關(guān)的工程問(wèn)題的能力；針對(duì)具體的控制對(duì)象，按照控制要求設(shè)計(jì)數(shù)字控制器的能力。（3）考試題型為：填空題、單選題、判斷題、分析題和設(shè)計(jì)題等?！獭?020合計(jì)：100分6634八、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、階段測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、期末考核等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽?jī)由期末考核成績(jī)和過(guò)程性考核成績(jī)組成。其中：期末考核采用試卷形式，卷面成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型可采用填空題、選擇題、判斷題、計(jì)算題、分析題和設(shè)計(jì)題等類型，試卷中基本知識(shí)、基本理論、基本技能的試題分值不超過(guò)50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；過(guò)程性評(píng)價(jià)采用課堂表現(xiàn)、階段測(cè)試、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)等形式，過(guò)程性考核成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過(guò)程性評(píng)價(jià)和考試試題分值分配與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時(shí)基本成比例。2.過(guò)程性考核成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見(jiàn)表5。表5過(guò)程性考核方式評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)25積極參與教學(xué)活動(dòng)，踴躍回答問(wèn)題，準(zhǔn)確率大于90%。認(rèn)真參與教學(xué)活動(dòng)，回答問(wèn)題準(zhǔn)確率大于80%。偶爾參與教學(xué)活動(dòng)，回答問(wèn)題準(zhǔn)確率大于70%。上課不認(rèn)真，偶爾參與教學(xué)活動(dòng)。上課不認(rèn)真，不參與教學(xué)活動(dòng)。階段測(cè)試25含期中考試、隨堂測(cè)試等階段性測(cè)試成績(jī)。作業(yè)25作業(yè)完整，思路清晰，準(zhǔn)確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準(zhǔn)確率大于80%，字跡工整。作業(yè)完整，準(zhǔn)確率大于70%.