计算机控制系统课程教学大纲
计算机控制系统教学大纲
计算机控制系统教学大纲课程简介本课程主要针对计算机控制系统方向的学生，旨在介绍计算机控制系统的基本原理、构成、功能和应用等方面的知识，培养学生的系统化思维和解决问题的能力。
课程目标1.了解计算机控制系统的基本原理和应用；2.掌握计算机控制系统的构成、功能及其工作过程；3.能够具备计算机控制系统的调试、维护和管理等实际操作能力；4.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。
课程总体安排第一章计算机控制系统概述1.1 计算机控制系统简介1.2 计算机控制系统的基本构成和功能1.3 计算机控制系统的分类和工作特点第二章模拟量传感器及其检测2.1 模拟量传感器简介2.2 温度传感器2.3 压力传感器2.4 流量传感器第三章数字量传感器及其检测3.1 数字量传感器简介3.2 光电传感器3.3 声电传感器3.4 磁电传感器第四章计算机控制系统中的执行器4.1 计算机控制系统中的电机4.2 计算机控制系统中的液压执行器4.3 计算机控制系统中的气动执行器第五章计算机控制系统的控制器5.1 计算机控制系统的控制器简介5.2 单片机控制器5.3 PLC控制器第六章计算机控制系统的通信6.1 计算机控制系统中的通信协议6.2 计算机控制系统中的网络通信第七章计算机控制系统设计实践7.1 计算机控制系统设计实践概述7.2 计算机控制系统软件设计7.3 计算机控制系统硬件设计评分标准1.准确理解计算机控制系统的基本原理和应用；2.能够准确掌握计算机控制系统的构成和功能；3.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。
参考教材1.《自动化控制原理》，第七版，韦元宝等著，机械工业出版社；2.《自动化原理与应用》，朱少伟等著，高等教育出版社；3.《自动化控制系统》，第四版，胡寿松等著，清华大学出版社。
教学方式本课程采用课堂讲授、案例展示和实践操作相结合的方式进行教学，通过实际操作提升学生的实际应用能力。
同时，通过课外作业、小组讨论等方式提升学生的合作能力和自主学习能力。
《计算机控制技术》课程教学大纲
计算机控制技术课程教学大纲Techno1ogyofMicrocomputercontro1学时数：40其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化类各专业的“主干专业课程”，属工程技术类课程。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识，以及基本的应用技术。
并具备独立设计计算机控制系统的能力，为今后从事工业自动化方面的工作打下一个基础。
二、课程教学的基本要求（一）熟练掌握计算机控制系统的组成与接口技术；（二）掌握和理解计算机控制系统的常用控制算法；（H）熟练掌握计算机控制系统的设计方法和实现过程；（四）了解计算机控制技术的发展趋势及前沿课题。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章微型计算机控制系统概述（4学时）基本内容：计算机控制系统的概念、组成，计算机控制系统的分类以及发展。
基本要求：1、熟悉微机控制系统的组成（硬件结构和软件组成）。
2、了解微机控制技术的发展趋势。
重点：计算机控制系统的发展概况。
难点：计算机控制系统的分类。
第二章计算机控制系统的过程通道接口技术（6学时）基本内容：数字量输入、输出通道的设计，模拟量输入通道的设计，模拟量输出通道的设计。
基本要求：1、掌握模拟量输入、输出通道的设计。
2、掌握数字量输入、输出通道的设计。
3、了解过程通道的结构形式。
能够根据控制系统要求选择输入输出通道中所用到的各种器件，掌握工作原理和使用方法。
能正确地绘制出系统的硬件电路原理图。
重点：采样/保持器、D/A转换器、A/D转换器接口设计难点：采样定理与数据采集第三章人机交互接口技术（4学时）基本内容：人机交互输入接口技术，人机交互输出接口技术。
基本要求：1、掌握常用键盘和常用1ED显示器的工作原理及接口设计方法。
2、能够根据控制系统要求正确的设计出键盘和显示器的接口电路，以及接口程序设计。
《计算机控制技术》教学大纲
《计算机控制技术》课程标准（执笔人：韦庆审阅学院：机电工程与自动化学院）课程编号：0811305英文名称：Computer Control Techniques预修课程：计算机硬件技术基础B、自动控制原理B、现代控制理论学时安排：36学时，其中讲授32学时，实践4学时。
学分：2一、课程概述（一）课程性质地位本课程作为《自动控制理论》的后续课程，是控制科学与工程、机械工程及其自动化和仿真工程专业本科学员理解和掌握计算机控制系统设计的技术基础课。
（二）课程基本理念本课程作为一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课，结合自动控制原理技术、微机接口技术，以学员掌握现代化武器装备为目的。
本课程既注重理论教学，也注重教学过程中的案例实践教学环节，使学员在掌握基本理论的基础上，通过了解相关实际系统组成，综合培养解决工程实际问题的能力。
（三）课程设计思路本课程主要包括计算机控制原理和计算机控制系统设计两大部分。
在学员理解掌握自动控制原理的基础上，计算机控制原理部分主要介绍了离散系统的数学分析基础、离散系统的稳定性分析、离散系统控制器的分析设计方法等内容；计算机控制系统设计部分结合实际的项目案例，重点介绍了计算机控制系统的组成、设计方法和步骤、计算机控制原理技术的应用等内容。
二、课程目标（一）知识与技能通过本课程的学习，学员应该了解计算机控制系统的组成，理解计算机控制系统所涉及的采样理论，掌握离散控制系统稳定性分析判断方法，掌握离散控制系统模拟化、数字化设计的理论及方法，掌握一定的解决工程实际问题的能力。
（二）过程与方法通过本课程的学习和实际系统的演示教学，学员应了解工程实际问题的解决方法、步骤和过程，增强积极参与我军高技术武器装备建设的信心。
（三）情感态度与价值观通过本课程的学习，学员应能够提高对计算机控制技术在高技术武器装备中应用的认同感，激发对自动化武器装备技术的求知欲，关注高技术武器装备技术的新发展，增强提高我军高技术武器水平的使命感和责任感。
《计算机控制技术》课程教学大纲
《计算机控制技术》课程教学大纲课程代码：ABJD(M16课程中文名称:计算机控制技术课程英文名称：ComputerContro1Techno1ogy课程性质：必修课程学分数：2学分课程学时数：32学时授课对象：自动化专业本课程的前导课程：数字电子技术、模拟电子技术、电力电子技术、自动控制原理等一、课程简介该课程是自动化专业一门重要的专业必修课。
它的目的是使学生通过本课程的学习，获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。
学习掌握计算机控制系统软硬件设计的基本方法与原则。
通过本课程的学习，使学生具有计算机控制系统硬件设计、应用软件编程与系统调试的基本能力。
二、教学基本内容和要求1 .绪论课程教学内容：计算机控制技术一般概念，计算机控制系统的组成和分类，计算机控制系统的发展概况和趋势。
课程的重点、难点：计算机控制系统工作原理、组成和分类。
课程教学要求：了解计算机控制技术一般概念、计算机控制系统的发展概况和趋势。
理解计算机控制系统控制过程。
掌握计算机控制系统组成结构和分类。
2 .输入输出过程通道与接口技术课程教学内容：模拟量输入输出通道，数字量输入输出通道，人机接口技术，电机控制接口技术。
课程的重点、难点：D/A、A/D转换器接口技术和模板标准化设计，数字量输入输出通道，键盘接口技术，7段显示器接口技术，直流电机和步进电机接口技术。
课程教学要求：了解模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道的结构形式组成。
理解D/A、A/D转换的工作原理，人机接口电路工作原理，电机接口电路工作原理等。
掌握模拟量输入输出通道设计技术，数字量输入输出通道设计技术，键盘接口技术，7段显示器接口技术，直流电机和步进电机接口技术。
3 .计算机控制基础理论课程教学内容：计算机控制系统的信号变换理论，计算机控制系统的数学描述，连续系统的离散化方法及特点。
课程的重点、难点：计算机控制系统的信号变换理论，Z变换与反Z变换的定义，连续系统的离散化方法，差分方程的求解。
计算机控制系统课程教学大纲
计算机控制系统课程教学大纲计算机控制系统课程教学大纲一、课程概述计算机控制系统课程是一门涉及自动化技术、计算机技术、控制系统理论和实践的综合性课程。
本课程的目标是培养学生具备设计、分析和实现计算机控制系统的能力，为进一步深入学习和从事相关领域的工作打下坚实的基础。
二、课程目标通过本课程的学习，学生将能够：1、理解并掌握计算机控制系统的基本概念、原理和方法；2、熟悉并掌握计算机控制系统的硬件和软件设计技术；3、掌握数字信号处理和数字控制的基本理论和方法；4、能够进行计算机控制系统的设计和实现；5、了解并掌握计算机控制系统的性能评估和优化方法。
三、课程内容本课程将涵盖以下内容：1、计算机控制系统基本概念和原理；2、计算机控制系统硬件设计，包括控制器、输入输出接口、信号转换器等；3、计算机控制系统软件设计，包括控制算法、数据结构和程序设计等；4、数字信号处理和数字控制理论和方法；5、计算机控制系统设计和实现，包括离散化方法、系统稳定性分析、控制器设计和仿真等；6、计算机控制系统性能评估和优化方法。
四、课程活动本课程将采取以下活动：1、课堂讲解：由教师讲解课程内容，包括基本概念、原理和方法等；2、实验操作：学生在实验室进行实验操作，包括硬件设计和软件编程等；3、小组讨论：学生分组进行讨论，交流学习心得和解决问题的方法；4、项目实践：学生独立完成一个计算机控制系统的设计和实现，培养实际操作能力。
五、课程评估本课程的评估将采取以下方式：1、平时作业：布置相关习题和阅读材料，检验学生对课程内容的掌握情况；2、期中考试：进行中期考试，测试学生对课程内容的掌握程度；3、期末考试：进行期末考试，全面测试学生对课程内容的理解和应用能力；4、项目实践：对学生的项目实践进行评分，评估其设计和实现能力。
六、课程资源本课程将使用以下资源：1、教材和参考书：将提供相关教材和参考书，供学生学习和参考；2、实验室设备：提供实验所需的硬件设备和软件工具，供学生进行实验操作；3、网络资源：提供相关网站和在线资源，供学生自行学习和研究。
李元春《计算机控制系统》教学大纲
《计算机控制系统》课程教学大纲课程编号: 3153347课程名称：计算机控制系统英文名称：Computer Control System课程类型: 专业选修课总学时：42 讲课学时：36 实验学时：6学分：2.5适用对象: 电气工程及其自动化专业本科一、课程性质、目的和任务《计算机控制系统》是电气工程类专业高年级学生的一门专业选修课。
工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门应用性很强的专业技术，其应用领域已从传统的工业过程控制向涉及人们生活的各个方面发展。
计算机控制主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
本课程的教学目的在于，通过本课程的学习，培养学生的创新意识、创新能力，培养学生的独立思考、分析问题和解决问题的能力，学会和掌握控制器的设计方法以及计算机控制系统硬、软件的组织与设计，为今后控制系统的设计、开发和实现打好坚实的基础。
二、教学基本要求1. 绪论介绍计算机控制系统的一些基本概念；计算机控制系统的组成、特点；计算机控制系统的分类；计算机控制理论主要包括的研究内容；计算机控制系统的发展过程及发展趋势。
2. 计算机控制系统设计的硬件基础介绍计算机控制系统的过程通道与接口（包括开关量输入与输出、模拟量输入与输出）；计算机控制系统中的电源；信号采样与重构以及数字滤波等基本知识。
3. 计算机控制系统的数学基础介绍线性离散系统的数学描述和Z变换分析法，主要包括差分方程、Z变换和逆Z变换理论，以及脉冲传递函数的定义、求法等内容。
4. 计算机控制系统的特性分析理解并掌握计算机控制系统的稳定性分析（稳定性条件、稳定性判据、稳定误差分析等）；介绍线性离散系统的动态特性分析；了解离散系统的根轨迹画法和离散系统频率特性。
5. 计算机控制系统的间接设计法（模拟化设计）介绍并掌握数字控制器的模拟化设计方法，重点包括模拟控制器与数字控制器的转换以及数字PID控制器的设计方法、数字PID控制器算法的改进、数字PID控制器的参数整定等内容。
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《计算机控制系统》课程教学大纲课程名称：计算机控制系统课程代码：ELEA3042英文名称：Computer Control System课程性质：专业学位课程学分/学时：4学分/72学时(54+18)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：机电工程学院课程负责人：杨歆豪大纲执笔人：杨歆豪大纲审核人：余雷一、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：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。