《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
课程概要
2教学大纲
2.1教学目的和任务
“计算机控制系统”课程定位为自动化专业高端专业课群中的理论核心课程之一，是本科专业基础理论的综合应用，同时还是自动控制理论实际应用的基础。

从本课程开始，学生才真正接触到计算机控制的概念、理论、方法和技术。

本课程主要讲述计算机控制系统理论与工程设计的基础理论与方法，主要包括信号转化与z变换、计算机控制系统数学描述与性能分析、数字控制器的模拟化设计方法、数字控制器的直接设计方法，以及数字控制器实现中的关键技术。

通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统设计的基本方法，培养学生应用所学过的控制理论基本知识分析和解决实际问题的能力，为进一步的学术研究和工程应用奠定基础。

2.2教学内容的结构
（1）“计算机控制系统导学与概述”模块内容
本模块使学生明确本门课程的研究内容和讲授思路，概述计算机控制系统。

本模块包括：计算机控制系统的定义、本课程的研究内容和讲授思路；计算机控制系统的基本概念、基本结构、性能指标、发展历程和基本类型。

（2）“信号转换与z变换”模块内容
计算机控制系统是一个信号混合系统，包括信号从连续变成离散，又从离散变成连续的过程，本模块包括：信号连续与离散之间的相互变换关系，分析该变换对信号本身的影响。

本模块包括：采样信号分析与香农采样定理；采样信号恢复与保持器性能分析；信号转换的工程化技术；z变换与z反变换的定义、变换方法和定理。

（3）“计算机控制系统数学描述与性能分析”模块内容
计算机控制系统的分析与设计以系统的数学描述为基础，通过脉
冲传递函数作为系统描述的基本工具，建立系统各环节的数学模型，对计算机系统的各种性能进行分析。

本模块包括：计算机控制系统脉冲传递函数模型的定义和建立方法；计算机控制系统稳定性的分析，离散系统稳定性条件，s平面与z平面的映射关
系（多对一）以及采样周期对计算机控制系统稳定性的影响，判断离散系统稳定性的方法（劳斯判据和朱利判据）；对计算机控制系统稳态过程和暂态过程进行分析，计算机控制系统稳态误差的定义及其求解方法，三种典型输入的稳态误差系数，系统类型与稳态误差的关系，z平面极点分布与暂态性能的关系，以及采样周期对稳态性能和暂态性能的影响。

（4）“数字控制器的模拟化设计方法”模块内容
数字控制器的模拟化设计方法的基本思想是：首先用模拟化的设计方法设计一个连续的控制器，然后通过某种方法将该连续控制器进行离散化处理，变成数字控制器。

该设计方法在采样频率很高的情况下是可行的，其近似程度可以被工程所允许。

本模块包括：数字控制器模拟化设计方法的基本原理；连续控制器的离散化方法（z变换法、差分变换法、双线性变换法，零极点匹配法），频率混叠、频率畸变等现象的原理；数字PID控制器的设计（基本PID、各种改进PID），PID控制器的参数整定方法等；对纯滞后对象采用常规控制方法时存在问题的分析，Smith预估控制器的设计方法以及该方法的工程化改进。

（5）“数字控制器的直接设计方法”模块内容
将连续的控制对象及其零阶保持器用适当的方法离散化后，系统完全变成离散系统，可以用离散系统的设计方法直接在z域进行控制器的设计，此即为数字控制器的直接设计方法。

本模块包括：直接设计方法的基本原理；最小拍有纹波计算机控制系统设计；最小拍控制方法的工程化改进，包括最小拍无纹波计算机控制系统设计等；大林(Dahlin)算法控制器的设计；大林算法工程应用中的关键参数选择方法；数字控制器D(z)的实现方法。

（6）“数字控制器实现中的关键技术”模块内容
计算机控制系统的工程设计是一项复杂的系统工程，涉及的领域比较广泛，需解决和注意的问题较多。

数字控制器的设计是计算机控制系统设计的关键，包括数字控制器的理论设计与程序实现两部分。

本模块仅就数字控制器程序实现中的几个常见的技术问题加以分析：“信号数字化转换过程中误差分析与信号处理技术”讲述了采样周期的选择问题和信号干扰的消除措施；“数字控制器的精度分析及功能检验措施”讲述了数字控制器的误差分析，数字控制器的精度确定原则和保证措施，数字控制器的精度及执行时间的检验法，控制算法编排结构的优
缺点分析；“保证控制器中微分环节功能正确实现的措施”讲述了微分环节的处理处理措施与工程实现方法。

2.3模块教学目标与任务
（1）“计算机控制系统导学与概述”模块
本模块是为了使学生明确本门课程的研究内容和讲授思路，概述计算机控制系统。

讲述了“计算机控制系统”的基本概念、基本结构、性能指标、发展历程和基本类型。

通过本模块的学习，使学生能够复习控制系统一些基本概念、深入理解控制的基本思想，了解计算机控制系统的组成及涉及的主要问题。

本模块注重经典问题的宏观分析，同时适当拓展学生的工程知识和学术思维，增强学习计算机控制系统的兴趣。

（2）“信号转换与z变换”模块
计算机控制系统是一个模拟与数字信号混合的系统，信号变换问题既出现在控制系统的正向通道，也出现在控制系统的反向通道。

在信号变换中，计算机控制系统采用理论以香农采样定理为基础。

本模块用z变换和z反变换的数学方法来描述变换过程，用频谱分析的方法，讨论信号变换的可行性和可靠性，由此得到可以表征计算机控制系统信号的数学表达方法。

通过学习基于香农定理的信号采样，对计算机控制系统采样周期进行讨论，对采样信号恢复与保持器的性质进行频域分析，并学习z变换与z反变换的定义、变换方法和定理，以及超前和滞后扩展z变换，
达到掌握计算机控制系统中信号变换与z变换基本原理和方法。

（3）“计算机控制系统的数学描述与性能分析”模块
计算机控制系统的数学描述，是指了解离散时间系统的基本概念及差分方程的解法。

学习脉冲传递函数的定义，掌握脉冲传递函数的求取方法，熟悉典型环节的脉冲传递函数。

计算机控制系统的性能分析，是指了解离散系统的稳定性条件，s 平面与z 平面的映射关系，采样周期与系统稳定性的关系，掌握劳斯稳定判据和朱利稳定判据。

了解计算机控制系统稳态误差的定义及求解方法；掌握三种典型输入的稳态误差系数，进而掌握系统类型与稳态误差的关系；了解采样周期对稳态误差的
影响；掌握z平面极点分布与暂态响应的关系；了解采样周期对暂态响应的影响。

（4）“数字控制器的模拟化设计方法”模块计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出数字控制器，使系统达到要求的性能指标。

计算机控制系统的设计一般分为离散化设计（直接设计）、模拟化设计（间接设计）、状态空间法设计和先进控制规律的设计。

本模块介绍数字控制器的模拟化设计方法。

模拟控制系统的设计方法主要包括频率法设计和根轨迹法设计，这些方法在前序课程（自动控制原理）中已有详细介绍。

借助这些成熟的方法来直接设计模拟控制器，并在一定条件下，通过某种方法把模拟控制器变换成数字控制器—间接设计出计算机控制系统中的数字控制器，是本模块要解决的核心问题。

（5）“数字控制器的直接设计方法”模块
本模块讲述基于脉冲传递函数模型的两种数字控制器的设计方法，即最小拍控制器和大林算法控制器的设计方法，以及两种数字控制器在工程应用中常遇到的问题及其解决方法，
通过本模块的学习，使学生能够了解基于脉冲传递函数模型设计数字控制器的基本原理；掌握最小拍控制器和大林算法控制器的设计方法、算法特性及其使用范围；理解经典控制控制算法工程应用中存在的问题及其改进措施。

本模块注重经典问题的深入细致的分析，同时将适当拓展学生的工程知识和学术思维，培养学生分析问题和解决问题的能力。

（6）“数字控制器实现中的关键技术”模块
计算机控制系统的工程设计是一项复杂的系统工程，涉及的领域比较广泛，需解决和注意的问题较多。

本模块仅就数字控制器设计的几个关键技术问题加以分析。

主要包括3个方面的内容：1）信号数字化转换过程中误差分析与信号处理技术：解决采样周期的选择问题，信号干扰的消除措施；数字控制器的精度分析及功能检验措施：2）数字控制器的误差分析，数字控制器的精度确定原则，数字控制器的精度保证措施，数字控制器的精度及执行时间的检验法，数字控制器的控制算法编排结构的优缺点分析；3）保证控制器中微分环节功能正确实现的措施：微分环节的处理处理措施与工程实现方法。

本模块的期望教学目标：为工程技术人员设计计算机控制系统提供指导方法。

2.4教学活动和教学方法的基本要求
课堂教学是理论教学的主体，直接关系到教学质量的高低。

而后者直接与教学法紧密相关。

以基本概念、基本方法为主线，由浅入深地引出要点；因材施教，根据不同层次的学生适当调整讲课内容和深度；关键的专业技术术语给出英文注释；将计算机控制的最新研究成果和动态介绍给学生等等，都是在课堂教学中应该一贯努力做到的。

（1）通过多种途径激发学生的学习兴趣
引发学生的学习兴趣，是调动学生学习积极性的有效方法之一，这在一门课的开头尤为重要。

通过通俗易懂的实例与本课程的联系，激发学生的学习兴趣；通过向学生介绍本课程与其他课程的联系，使学生了解本课程在自动化专业中的重要地位，提高学生学习的主动性。

（2）变“灌输式”为“引导式”、“渗透式”和“互动式”
由浅入深地讲解有关概念、定义和分析方法，积极引导学生主动思考问题，同时还注意将计算机领域最新进展实时地介绍给学生。

“计算机控制系统”课程组达成了这样一个共识：任何一个公式本身都有一定的物理意义，教师在备课和讲课当中，除注重数学推倒外，更应注重对数学结果给出恰当的物理解释，加深学生对相应知识
的认识和理解。

课后给学生留一些没有答案的思考题或反映基本概念和方法的练习题，通过组织课堂讨论澄清模糊概念和错误理解。

教师还应特别强调学生要课前预习，带着问题来听课；课后要在阅读大量参考书和作一些概念性强的习题的前提下，领会本课程的要点，以利于消化课程的内容。

（3）个性化教学与因材施教
在本课程教学过程中注意对学生因材施教和个性化教学。

通过对每个学生的学习进度、课堂作业情况及时进行评估，对学生提出进一步的学习建议和指导，从而实现个性化教学。

教师在教学过程中，有意识地鼓励学生探讨深层次的内容。

在教学设计和实验中，注意要求学习有余力和兴趣的学生，选作部分探索性、创新性的实验，从而引导学生发挥个性优势，达到因材施教的目的。

同时注意分析学习较差学生的具体困难，进行有针对性的指导。

（4）理论联系实际
在教学内容安排上适时布置一些教师自行开发的计算机控制实验，给学生进行课外练习。

通过实践和参与保持学习兴趣，有助于学生对计算机控制基本概念和难点的理解，掌握基本方法和技术，为从事计算机控制的应用开发打下基础。

鼓励学生参加课外科技活动，自己设计控制系统，参与各种比赛，通过比赛激励学生深入学习“计算机控制系统”相关理论知识和实践技能。

将最先进的现代教育理念和教育技术引入到教学中，以提高教学质量。