数字控制系统理论与设计
《控制系统的设计与实施核心素养目标教学设计、教材分析与教学反思-2023-2024学年高中通用技术苏
《控制系统的设计与实施》导学案一、导言控制系统是摩登工程领域中至关重要的一部分，它涉及到各种各样的应用领域，包括工业自动化、航空航天、机器人技术等。
《控制系统的设计与实施》是一门涉及控制理论、信号处理、电路设计等多方面知识的课程，通过进修这门课程，学生将能够掌握控制系统的设计原理和实施方法，为将来的工程实践打下坚实的基础。
二、进修目标1. 了解控制系统的基本观点和分类；2. 掌握控制系统的设计方法和实施步骤；3. 能够运用所学知识解决实际工程问题。
三、教学内容1. 控制系统的基本观点- 控制系统的定义和分类；- 控制系统的基本组成部分。
2. 控制系统的设计原理- 控制系统的传递函数和状态空间表达；- 控制系统的稳定性分析方法。
3. 控制系统的实施方法- PID控制器的设计和调节；- 数字控制系统的设计和实现。
四、进修方法1. 听课进修：认真听讲，理解控制系统的基本观点和设计原理；2. 实践操作：完成实验任务，掌握控制系统的实施方法；3. 讨论交流：与同砚讨论进修中遇到的问题，互相进修、交流经验。
五、作业任务1. 阅读相关教材，完成课后习题；2. 设计一个简单的控制系统，并进行仿真实验；3. 撰写实验报告，总结实验过程和结果。
六、考核方式1. 平时表现：参与教室讨论，完成作业任务；2. 期末考试：考核学生对控制系统设计与实施知识的掌握水平。
七、教学资源1. 教材：《控制系统工程》；2. 实验设备：数字控制系统实验箱、PID控制器等。
八、进修建议1. 注重理论联系实际，将所学知识应用到实际工程中；2. 多与同砚交流，共同砚习、进步。
以上是《控制系统的设计与实施》导学案的内容，希望同砚们能够认真进修，掌握相关知识，为未来的工程实践做好准备。
祝大家进修顺利！。
控制工程学硕士培养方案
控制工程学硕士培养方案第一部分课程设置1. 专业核心课程（1）控制系统理论与设计本课程旨在培养学生系统地掌握控制系统理论和设计方法，包括控制系统的基本概念、数学模型、稳定性、性能指标、校正设计等内容。
通过理论学习和实践操作，学生将掌握现代控制系统设计的基本方法和技术。
（2）数字控制理论与应用本课程介绍数字控制系统的基本原理、数字信号处理技术、数字控制系统的设计与调试方法等内容。
学生将学会如何应用数字技术设计和实现各种控制系统，提高控制系统的动态性能和稳定性。
（3）智能控制理论与方法本课程介绍智能控制的基本原理、模糊控制、神经网络控制、遗传算法等智能控制方法。
学生通过本课程的学习，将了解智能控制技术在实际系统中的应用和发展趋势。
2. 选修课程（1）现代控制理论（2）自适应控制理论与应用（3）非线性系统控制理论（4）计算机控制技术（5）工业自动化系统（6）系统辨识与参数估计（7）先进控制技术及应用3. 实习环节（1）实习地点：工业企业、科研院所、设计单位等（2）实习内容：控制系统设计、调试和运行、自动化生产线建设及维护等（3）实习时间：至少8周（4）实习报告：学生需提交实习报告，总结实习经验和收获。
第二部分科研能力培养1. 科研训练（1）参与科研项目：学生可参与指导教师的科研项目，学习科研方法和技能。
（2）学术论文：要求每位学生在培养期间至少发表1篇学术论文。
（3）科研能力培养：学院将组织学术报告、学术讨论等活动，培养学生的科研能力。
2. 学术交流（1）参加学术会议：学生可参加国际、国内相关学术会议，扩展学术视野，提升学术交流能力。
（2）学术讲座：学院将邀请相关领域的专家学者举办学术讲座，学生需积极参与，了解最新科研进展。
第三部分实践能力培养1. 实验教学（1）开设实验课程：安排控制系统设计、调试实验，提升学生实际操作能力。
（2）实验设备：学院配备现代化实验设备，学生应熟练掌握各类仪器的使用方法。
2. 专业实践（1）毕业设计：学生需完成毕业设计，独立设计或在指导老师的指导下完成控制系统设计、仿真、调试等工作。
计算机控制系统的相关论文
计算机控制系统的相关论文随着科学技术的发展，人们越来越多的用计算机来实现控制。
下面是店铺给大家推荐的计算机控制系统的相关论文，希望大家喜欢! 计算机控制系统的相关论文篇一《计算机控制系统设计分析》【摘要】随着科学技术的发展，人们越来越多的用计算机来实现控制。
近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展。
然而，设计一个性能好的计算机控制系统是非常重要的。
计算机控制系统主要由硬件和软件两大部分组成，一个完整的控制系统还需要考虑系统的抗干扰性能，系统的抗干扰性能力是关系到整个系统可靠运行的关键。
【关键词】计算机;控制系统;设计计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术发展的基础上产生的。
若将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。
它用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。
其中辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。
它与被控对象的联系和部件间的联系通常有两种方式：有线方式、无线方式。
控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。
一、计算机控制技术的概述1.计算机控制的概念(1)开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则称该系统为开环控制系统。
在开环控制系统中，既不需要对系统的输出量进行测量，也不需要将它反馈到输入端与输入量进行比较。
(2)闭环控制系统凡是系统的输出信号对控制作用能有直接影响的系统都叫作闭环控制系统，即闭环系统是一个反馈系统。
闭环控制系统中系统的稳定性是一个重要问题。
2.计算机控制系统采用计算机进行控制的系统称为计算机控制系统，也称它为数字控制系统。
若不考虑量化问题，计算机控制系统即为采样系统。
进一步，若将连续的控制对象和保持器一起离散化，那么采样控制系统即为离散控制系统。
控制理论的三个发展阶段：经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论
经典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论，控制系统的分析与设计是建立在某种近似的和(或)试探的基础上的、控制对象一般是单输入单输出、线性定常系统；对多输入多输出系统、时变系统、非线性系统等．则无能为力。
经典抑制理论主要的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波夫法等。
控制策略仅局限于反馈控制、PID控制等。
这种控制不能实现最优控制。
现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与设计是精确的。
控制对象可以是单输入单输出控制系统．也可以是多输人多输出控制系统，可以是线件定常控制系统，也可以是非线性时变控制系统，可以是连续控制系统，也可以是离散和(或)数字控制系统。
因此，现代控制理论的应用范围更加广泛。
主要的控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。
由于现代控制理论的分析与设计方法的精确性，因此，现代控制可以得到最优控制。
但这些控制策略大多是建立在已知系统的基础之上的。
严格来说．大部分的控制系统是一个完全未知或部分未知系统，这里包括系统本身参数未知、系统状态未知两个方面，同时被控制对象还受外界干扰、环境变化等的因素影响。
智能控制是一种能更好地模仿人类智能的、非传统的控制方法，它采用的理论方法则主要来自自动控制理论、人工智能和运筹学等学科分支。
内容包括最优控制、自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、模糊控制、仿人控制等。
其控制对象可以是已知系统也可以是未知系统，大多数的控制策略不仅能抑制外界干扰、环境变化、参数变化的影响，还能有效地消除模型化误差的影响。
数字控制理论及应用(讲稿)第六章 采样控制系统的稳定性与稳态误差
设在 s 平面上有 s = σ + jω ，经 z 变换后，它在 z 平面的映象为
z = eTs = e (σ + jω )T = eσT ⋅ e jωT
z = eσT
（6.1.1）
∠z = ωT
（6.1.2）
j s 平面
π j
T
j z 平面
1
j w 平面
−
π j
T
图 6.1.1 s 平面、z 平面和 w 平面的对应关系
第二节 采样控制系统稳态误差计算
33
R(s) r(t) -
e(t) e*(t) G(s)
T E(z)
C(z) T C* (s)
c(t) C(s)
图 6.2.1 单位反馈采样控制系统
在连续系统中，按开环系统中含有的积分环节个数的多少定义为 0 型、I 型、II 型等系
统。在采样控制系统中，在 z 平面上的极点 z = 1 是与 s 平面上极点 s = 0 相对应的，因此 采样系统中同样可以按开环脉冲传递函数 G(z) 具有 z = 1 的极点数而分为 0 型、I 型、II 型
变换，称为 w 变换。
令
z = w+1
w −1
（6.1.3）
则
w = z +1
z −1
（6.1.4）
上式中 w 和 z 均为复变量。令 w = u + jv ，则
| z |= w + 1 = u + 1 + jv w −1 u −1 + jv
=
(u + 1)2 + v 2
⎧<1 = ⎪⎨= 1
(u −1)2 + v 2 ⎪⎩ > 1
数字控制理论及应用(讲稿)第二章 数字控制系统的组成
第二章 数字控制系统的组成第一节 数字控制系统硬件及软件组成一、 硬件部分计算机控制系统的硬件包括主机、接口电路、过程输入/输出通道、外部设备、操作台等。
1、主机它是过程计算机控制系统的核心，由中央处理器（CPU）和内存储器组成。
主机根据输入通道送来的被控对象的状态参数，按照预先制定的控制算法编好的程序，自动进行信息处理、分析、计算，并作出相应的控制决策，然后通过输出通道发出控制命令，使被控对象按照预定的规律工作。
2、接口电路它是主机与外部设备、输入/输出通道进行信息交换的桥梁。
在过程计算机控制系统中，主机接收数据或者向外发布命令和数据都是通过接口电路进行的，接口电路完成主机与其它设备的协调工作，实现信息的传送。
3、过程输入/输出通道过程输入输出（I/O）通道在微机和生产过程之间起着信号传递与变换的纽带作用，它是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号转换为数字信号送给微机；模拟量输出通道则把微机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行设备，实现生产过程的自动控制。
微机通过开关量（脉冲量、数字量）输入通道输入反映生产过程或设备工况的开关信号（如继电器接点、行程开关、按纽等）或脉冲信号；通过开关量（数字量）输出通道控制那些能接受开关（数字）信号的电器设备。
1）、模拟量输入（AI）通道：生产过程中各种连续的物理量(如温度、流量、压力、液位、位移、速度、电流、电压以及气体或液体的PH值、浓度、浊度等），只要由在线仪表将其转换为相应的标准模拟量电信号，均可送入模拟量输入通道进行处理。
2）、模拟量输出（AO）通道：模拟量输出通道一般是输出4～20mA（或1～5V）的连续的直流电流信号，用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调速装置（如各种变频调速器）控制各种电机的转速，亦可通过电-气转换器或电-液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。
(完整版)现代控制理论
第一章线性离散系统第一节概述随着微电子技术，计算机技术和网络技术的发展，采样系统和数字控制系统得到广泛的应用。
通常把采样系统，数字控制系统统称为离散系统。
一、举例自动测温，控温系统图;加热气体图解：1. 当炉温h变化时，测温电阻R变化→R∆，电桥失去平衡状态，检流计指针发生偏转，其偏转角度为)e；(t2. 检流计是个高灵敏度的元件，为防磨损不允许有摩擦力。
当凸轮转动使指针）,接触时间为τ秒；与电位器相接触（凸轮每转的时间为T3. 当炉温h 连续变化时，电位器的输出是一串宽度为τ的脉冲信号e *τ(t);4.e *τ(t)为常值。
加热气体控制阀门角度调速器电动机放大器h →→→→→→ϕ 二、相关定义说明（通过上例来说明） 1. 信号采样偏差)(t e 是连续信号，电位器的输出的e *τ(t)是脉冲信号。
连续信号转变为脉冲信号的过程，成为采样或采样过程。
实现采样的装置成为采样器。
To —采样周期，f s =--To1采样频率，W s =2πf s —采样角频率 2．信号复现因接触时间很小，τo T 〈〈τ，故可把采样器的输出信号）（t e *近似看成是一串强度等于矩形脉冲面积的理想脉冲，为了去除采样本身带来的高额分量，需要把离散信号）（t e *恢复到原信号)(t e 。
实现方法：是在采样器之后串联一个保持器，及信号复现滤波器。
作用：是把）（t e *脉冲信号变成阶梯信号e h (t)3.采样系统结构图r(t)，e(t)，c(t)，y(t)为连续信号，）（t e *为离散信号)(s G h ，)(s G p ，)(s H 分别为保持器，被控对象和反馈环节的传递函数。
(t)r4.采样系统工作过程⇒由保持器5. 采样控制方式采样周期To ⎪⎩⎪⎨⎧=≠=⇒相位不同步采样常数常数6. 采样系统的研究方法（或称使用的数字工具）因运算过程中出现s 的超越函数，故不用拉式变换法，二采用z 变换方法，状态空间法。
数字系统设计及实验实验报告
数字系统设计及实验实验报告一、实验目的数字系统设计及实验课程旨在让我们深入理解数字逻辑的基本概念和原理，掌握数字系统的设计方法和实现技术。
通过实验，我们能够将理论知识应用于实际，提高解决问题的能力和实践动手能力。
本次实验的具体目的包括：1、熟悉数字电路的基本逻辑门、组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法。
2、掌握使用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）进行数字系统建模和设计。
3、学会使用相关的电子设计自动化（EDA）工具进行电路的仿真、综合和实现。
4、培养团队合作精神和工程实践能力，提高解决实际问题的综合素质。
二、实验设备和工具1、计算机：用于编写代码、进行仿真和综合。
2、 EDA 软件：如 Quartus II、ModelSim 等。
3、实验开发板：提供硬件平台进行电路的下载和测试。
4、数字万用表、示波器等测量仪器：用于检测电路的性能和信号。
三、实验内容1、基本逻辑门电路的设计与实现设计并实现与门、或门、非门、与非门、或非门和异或门等基本逻辑门电路。
使用 EDA 工具进行仿真，验证逻辑功能的正确性。
在实验开发板上下载并测试实际电路。
2、组合逻辑电路的设计与实现设计一个 4 位加法器，实现两个 4 位二进制数的相加。
设计一个编码器和译码器，实现数字信号的编码和解码。
设计一个数据选择器，根据控制信号选择不同的输入数据。
3、时序逻辑电路的设计与实现设计一个同步计数器，实现模 10 计数功能。
设计一个移位寄存器，实现数据的移位存储功能。
设计一个有限状态机（FSM），实现简单的状态转换和控制逻辑。
四、实验步骤1、设计方案的确定根据实验要求，分析问题，确定电路的功能和性能指标。
选择合适的逻辑器件和设计方法，制定详细的设计方案。
2、代码编写使用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）编写电路的代码。
遵循代码规范，注重代码的可读性和可维护性。
3、仿真验证在 EDA 工具中对编写的代码进行仿真，输入不同的测试向量，观察输出结果是否符合预期。
数字控制器的连续化设计方法
第四章数字控制器的连续化设计方法模拟控制系统的控制过程是通过传感器把被测的各个模拟参量，比如温度、流量、压力、液位、成份等，变换成电信号（电流、电压），再送给模拟调节器。
在调节器中，被测模拟参量转换成的电信号与设定值进行比较后，经过PID控制器送到执行机构，改变进给量，达到自动调节的目的。
系统的控制器是连续模拟环节，也称为模拟调节器。
而在数字控制系统中，用数字控制器来代替模拟调节器。
传感器输出的电信号通过A/D转换器转换成数字信号，送给数字控制器。
控制器按照一定的控制算法进行运算处理后，输出控制量，再经过D/A转换成模拟量，通过执行机构去控制生产过程，使控制参数达到给定值。
在计算机控制系统中，用计算机来控制和调节被控对象，实现数字控制器的功能。
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，设计出控制器的控制规律和相应的控制算法，并通过控制程序加以实现，对硬件电路、外围设备、执行机构等进行控制，实现控制功能。
为什么要用计算机实现数字控制器的功能？主要是因为它有以下优点：（1）可以分时控制，实现多回路控制计算机的运行速度比较快，而被控对象变化一般都比较缓慢，因此用一台计算机可以控制多个外围设备。
计算机采用分时控制，轮流为每个外围设备服务，既提高了控制系统的速度，又大大节省了硬件开销。
（2）控制算法灵活，功能强大，能实现复杂的控制规律使用计算机，通过控制程序实现控制算法，可根据实际需要调节控制参数，不需要修改硬件就可改变控制方案，因此非常灵活。
此外计算机不仅可以实现数字PID控制，而且还可以应用直接数字控制、模糊控制、自适应控制等各种控制方法。
计算机控制系统中，计算机不仅要完成控制任务，还可实现监控、数据采集、显示、报警等各种功能，因此控制系统的功能非常强大，可以节约人力、物力。
（3）系统的可靠性高，稳定性好用应用软件实现数字控制器的功能，比用硬件组成的调节器具有更高的可靠性和稳定性，而且容易调试，维修方便。
自动控制原理第五版
自动控制原理第五版自动控制原理第五版是一本介绍自动控制理论和应用的教材。
本书详细讲解了自动控制系统的基本概念、原理和方法，并通过大量的工程实例和案例分析，帮助读者理解和应用自动控制技术。
本书主要内容包括：1. 自动控制系统的基本概念和组成部分。
介绍了自动控制系统的基本概念，包括控制对象、传感器、执行器和控制器等组成部分，并详细解释了它们的作用和相互关系。
2. 系统建模与传递函数。
介绍了系统建模的方法和技巧，包括传统的数学建模方法和现代的系统辨识方法，并通过实例演示了如何得到系统的传递函数模型。
3. 闭环控制系统的分析与设计。
详细讲解了闭环控制系统的分析和设计方法，包括稳定性分析和频域分析等，并介绍了常用的控制器设计方法，如比例控制、积分控制和微分控制等。
4. 数字控制系统及其设计。
介绍了数字控制系统的基本原理和设计方法，包括采样定理、数字控制器设计和离散系统分析等内容。
5. 状态空间分析与设计。
详细介绍了状态空间分析和设计方法，包括状态空间模型的建立、可控性和可观性分析，以及状态反馈控制和观测器设计等。
6. 多变量控制系统。
介绍了多变量控制系统的基本概念和分析方法，包括多变量系统的稳定性判据、传递矩阵和多变量控制器设计等内容。
本书特色包括：1. 结合理论与实践。
除了介绍基本理论和方法，本书还通过大量的工程实例和案例分析，帮助读者更好地理解和应用自动控制技术。
2. 结构清晰、内容丰富。
本书的内容安排清晰，逻辑严谨，既覆盖了基础知识，又涵盖了应用技术，非常适合自动控制领域的学习和应用。
总的来说，自动控制原理第五版是一本全面介绍自动控制理论和应用的教材，通过理论讲解和实例分析，帮助读者掌握自动控制系统的基本原理和方法，具备自动控制系统分析与设计的能力。
控制系统数字仿真理论
第7章控制系统数字仿真理论7.1 引言仿真主要采用相似性原理。
因实际系统是连续的，而计算机系统是离散的(尽管计算机的主频目前可达1 GHz以上，但仍然是断续的)，故用计算机进行仿真有两种关键技术：1)建立实际系统的数学模型。
2)实际系统的离散方法。
系统的离散化方法主要分为两大类，即数值积分方法和直接离散化方法。
常用数值积分方法按递推时所需数据步数分为单步法、多步法和预估 校正法。
(1)数字仿真的特点连续系统的数学模型一般是微分方程或偏微分方程，因此数字仿真中的主要数值计算工作是微分方程(或偏微分方程)数值解的问题。
数字仿真的整个过程是由事先编好的仿真程序来控制。
在大系统实时或超实时仿真中，仿真速度成为一个十分突出的问题。
(2)系统仿真技术新动向一个实际的系统可分为连续系统、离散系统、混合系统和定性系统(模糊理论)。
而仿真根据其采用的对象可分为计算机仿真、半实物仿真、比例模型仿真和人在回路中仿真。
根据信号的类别可分为数字仿真、模拟仿真、混合仿真。
根据仿真时间可分为实时仿真、超实时仿真(n:1)和欠实时仿真(1:n)。
根据应用情况可分为工程系统仿真和非工程系统仿真。
还可根据分布情况分为集中式和分布式仿真。
系统仿真技术的新动向是：采用分布式、开放式、交互式构架体系，面向对象、网络和数据库的标准化的应用多媒体和虚拟现实技术进行系统仿真。
其发展目标是构成可操作性、可移植性、交互性强，开放式的仿真体系构架。
(3)仿真的可信度仿真的可信度取决于模型的准确性、环境模拟的准确性和干扰处理等3个因素。
(4)虚拟现实(virtual reality或灵境，缩写为VR)1989年，美国计算机科学家Jaron Lanier赋VR以现在的含义。
虚拟现实综合运用了计算机图形学、仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感器技术等，能感知方向、听觉、视觉、触觉、嗅觉、味觉，使人有身临其境的感觉。
传感器主要有：头盔显示器、数据手套、触觉与力度传感器；跟踪球；空间探针等。
自动控制专业主要课程
自动控制专业主要课程
自动控制专业是一门涉及自动化技术、控制理论和工程实践的学科，主要课程包括但不限于以下几个方面：
1. 控制理论基础课程，包括控制理论、线性系统理论、非线性系统理论、控制工程数学基础等，这些课程主要介绍控制系统的基本原理、数学模型和分析方法。
2. 信号与系统，这门课程介绍信号的特性、变换和处理方法，以及系统的特性、传递函数等内容，是自动控制专业的基础课程之一。
3. 自动控制原理，这门课程主要介绍控制系统的基本概念、控制器的设计方法、稳定性分析、校正和校正系统等内容，是自动控制专业的核心课程之一。
4. 数字控制系统，介绍数字控制系统的基本原理、数字控制器的设计和应用、采样与保持、离散信号处理等内容，是自动控制专业的重要课程之一。
5. 控制工程应用，这门课程主要介绍控制工程在各个领域的应用，如电力系统控制、机械系统控制、化工过程控制等，通过案例分析和实践操作，帮助学生将理论知识应用到实际工程中。
除了以上主要课程外，自动控制专业还涉及到电子技术、计算机技术、传感器技术、通信技术等相关课程，这些课程都是为了培养学生在自动控制领域的综合能力和实践能力。
同时，自动控制专业也注重学生的创新意识和团队合作能力的培养，因此还会开设一些创新设计、实践训练和团队项目等课程，以提升学生的综合素质和竞争力。
总的来说，自动控制专业的课程设置旨在为学生提供扎实的理论基础和丰富的实践经验，使他们能够在自动控制领域具备较强的专业能力和创新能力。
控制科学与工程主要课程
控制科学与工程主要课程控制科学与工程是一门涉及控制系统原理、设计和应用的学科。
它主要研究如何通过设计和优化系统来实现预期的性能要求，并在实际应用中实现对系统的控制和调节。
控制科学与工程的主要课程包括控制系统原理、信号与系统、自动控制原理、数字控制系统、先进控制技术等。
控制科学与工程的主要课程之一是控制系统原理。
控制系统原理是控制科学与工程的基础课程，它介绍了控制系统的基本概念、原理和方法。
学习这门课程可以使学生了解控制系统的基本原理，如反馈原理、稳定性分析、根轨迹法等，从而为进一步学习和应用控制系统提供基础。
信号与系统也是控制科学与工程的重要课程之一。
它研究信号在系统中的传输、处理和变换过程，为控制系统的设计和分析提供了基础。
学习这门课程可以使学生掌握信号与系统的基本概念、性质和分析方法，如傅里叶变换、拉普拉斯变换、卷积等，从而为理解和设计控制系统提供了数学工具和方法。
自动控制原理是控制科学与工程的核心课程之一。
它介绍了自动控制系统的基本原理、设计方法和应用技术。
学习这门课程可以使学生了解自动控制系统的基本结构和工作原理，如反馈控制、PID控制、校正器等，从而为实际控制系统的设计和调试提供了理论和方法。
数字控制系统是控制科学与工程的前沿课程之一。
它研究数字技术在控制系统中的应用和发展，为实现更高性能和更复杂控制任务提供了新的方法和工具。
学习这门课程可以使学生了解数字控制系统的基本原理和设计方法，如采样定理、离散时间系统、数字滤波器等，从而为数字化控制系统的设计和实现提供了理论和技术支持。
先进控制技术是控制科学与工程的拓展课程之一。
它介绍了控制科学与工程领域的最新研究成果和应用技术，为解决复杂和高性能控制问题提供了新的理论和方法。
学习这门课程可以使学生了解先进控制技术的发展趋势和应用领域，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制等，从而为控制系统的创新和应用提供了新的思路和途径。
控制科学与工程主要课程的学习可以使学生掌握控制系统的基本原理、设计方法和应用技术，为实际工程问题的解决提供理论和实践支持。
第五章 数字控制器的离散化设计方法
第五章 数字控制器的离散化设计方法数字控制器的连续化设计是按照连续控制系统的理论在S 域内设计模拟调节器，然后再用计算机进行数字模拟，通过软件编程实现的。
这种方法要求采样周期足够小才能得到满意的设计结果，因此只能实现比较简单的控制算法。
当控制回路比较多或者控制规律比较复杂时，系统的采样周期不可能太小，数字控制器的连续化设计方法往往得不到满意的控制效果。
这时要考虑信号采样的影响，从被控对象的实际特性出发，直接根据采样控制理论进行分析和综合，在Z 平面设计数字控制器，最后通过软件编程实现，这种方法称为数字控制器的离散化设计方法，也称为数字控制器的直接设计法。
数字控制器的离散化设计完全根据采样系统的特点进行分析和设计，不论采样周期的大小，这种方法都适合，因此它更具有一般的意义，而且它可以实现比较复杂的控制规律。
5.1 数字控制器的离散化设计步骤数字控制器的连续化设计是把计算机控制系统近似看作连续系统，所用的数学工具是微分方程和拉氏变换；而离散化设计是把计算机控制系统近似看作离散系统，所用的数学工具是差分方程和Z 变换，完全采用离散控制系统理论进行分析，直接设计数字控制器。
计算机采样控制系统基本结构如图5.1所示。
图中G 0(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，G(z)是广义被控对象的脉冲传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数， R(z)是系统的给定输入，C(z)是闭环系统的输出，φ(z)是闭环系统的脉冲传递函数。
零阶保持器的传递函数为：se s H Ts--=1)( （5-1） 广义被控对象的脉冲传递函数为：[])()()(0s G s H Z z G = （5-2）由图可以求出开环系统的脉冲传递函数为：图5.1 计算机采样控制系统基本结构图)()()()()(z G z D z E z C z W == （5-3） 闭环系统的脉冲传递函数为：()()()()()1()()C zD z G z z R z D z G z Φ==+ （5-4） 误差的脉冲传递函数为：()1()()1()()e E z z R z D z G z Φ==+ （5-5） 显然 )(1)(z z e Φ-=Φ （5-6）由式（5-4）可以求出数字控制器的脉冲传递函数为：)](1)[()()(z z G z z D Φ-Φ= （5-7） 如果已知被控对象的传递函数G 0(s)，并且可以根据控制系统的性能指标确定闭环系统的脉冲传递函数φ(z)，由上式可以得到离散化方法设计数字控制器的步骤：（1）根据式（5-2）求出广义被控对象的脉冲传递函数G(z)。
数字控制系统的基本概念和理论
G(z)
D(z)
u(k)
y(k)
采样控制系统
忽 略 量 化 效 应 数 离 字＝ 散 信 模 号 拟 量
r(t)
保持器
u(t)
G(s)
y(t)
数字控制系统
r(t)
e(t)
A/D
e*(k)
D(z)
u*(k)
D/A
u(t)
G(s)
y(t)
1.2
计算机控制的基本理论
为何、如何研究数字控制系统？
（关于计算机控制系统的基本理论问题）
例: 雷达天线位置伺服控制系统
数字控制器
给定
A/D
校正
校正
D/A
放大
电机及齿轮
转速测量
雷达
计算机
A/D
位置测量
1.1.1
计算机控制系统的组成
1. 被控对象 2. 执行机构
3. 测量装置 4. 给定装置 5. 数字调节器及输入、输出通道
G(s)
给定
A/D
计算机
D/A 测量装置
被控对象
输出
H(s)
1.1.2
r(t),e(t),u(t),y(t) e*(k),u*(k) u*(k) u(t) y(t)
A/D
e*(k)
D(z)
D/A
G(s)
连续控制系统
r(t)
e(t)
D(s)
u(t)
G(s)
y(t)
离散控制系统
G(z)与保 持器离散 r(k) e(t) e(k)
r(k)
e(k)
D(z)
u(k)
G(z)
y(k)
系统模型与分析
系统设计
《现代控制理论》 教案大纲
《现代控制理论》教案大纲第一章：绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 控制理论的应用领域第二章：控制系统数学模型2.1 连续控制系统数学模型2.2 离散控制系统数学模型2.3 状态空间描述2.4 系统矩阵的性质与运算第三章：线性系统的时域分析3.1 系统的稳定性3.2 系统的瞬时性3.3 系统的稳态性能3.4 系统的动态性能第四章：线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念4.2 频率响应的性质4.3 系统频率响应的求取方法4.4 系统频域性能指标第五章：线性系统的校正与设计5.1 系统校正的基本概念5.2 常用校正器及其特性5.3 系统校正的方法5.4 系统校正实例分析第六章：非线性控制系统分析6.1 非线性系统的基本概念6.2 非线性系统的数学模型6.3 非线性系统的稳定性分析6.4 非线性系统的控制策略第七章：状态反馈与观测器设计7.1 状态反馈控制的基本原理7.2 状态反馈控制器的设计方法7.3 观测器的设计与分析7.4 状态反馈控制系统应用实例第八章：先进控制策略8.1 鲁棒控制8.2 自适应控制8.3 最优控制8.4 智能控制第九章：最优控制理论9.1 最优控制的基本概念9.2 线性二次调节器（LQR）9.3 离散时间最优控制9.4 最优控制的应用第十章：现代控制理论在工程应用10.1 现代控制理论在自动化领域的应用10.2 现代控制理论在控制中的应用10.3 现代控制理论在航空航天领域的应用10.4 现代控制理论在其他领域的应用第十一章：鲁棒控制理论11.1 鲁棒控制的基本概念11.2 鲁棒控制的设计方法11.3 鲁棒控制的应用实例11.4 鲁棒控制在实际系统中的性能评估第十二章：自适应控制理论12.1 自适应控制的基本概念12.2 自适应控制的设计方法12.3 自适应控制的应用实例12.4 自适应控制在复杂系统中的应用与挑战第十三章：数字控制系统设计13.1 数字控制系统的概述13.2 数字控制器的设计方法13.3 数字控制系统的仿真与实验13.4 数字控制系统在实际应用中的案例分析第十四章：控制系统中的计算机辅助设计14.1 计算机辅助设计的基本概念14.2 控制系统CAD工具与方法14.3 基于软件的控制系统设计与仿真14.4 控制系统CAD在现代工程中的应用案例第十五章：现代控制理论的前沿与发展15.1 现代控制理论的最新研究动态15.2 控制理论与其他领域的交叉融合15.3 未来控制理论的发展趋势15.4 控制理论在解决现实世界问题中的潜力与挑战重点和难点解析本《现代控制理论》教案大纲涵盖了现代控制理论的基本概念、方法与应用，分为十五个章节。
数字控制系统理论与设计
2．计算机控制系统－理论、设计与实现
空航天大学出版社
高金源 北京航
3. 计算机控制系统－原理与设计 （第三版） （ComputerControlled Systems Theory and Design）电子工业出版社，2001
本课程目的
1.了解数字控制系统的基本概念和理论； 2.掌握数字控制系统的建模、分析及设计 方法； 3.对数字控制器实现时的某些问题进行深 入的讨论。
第1章 概 述（1-2学时）
什么是数字控制系统？ （组成、结构、性能、分类） 为何研究数字控制系统？ （与连续系统的差异） 如何研究数字控制系统？ （数字控制系统理论）
数字控制系统理论与设计
Instructor: Prof. 林 桦 E-mail: LHUA@ 课件下载：controlsystem@ 密码：control_system
参考书:
Tel: 87543658－804(O) 1. 动态系统的数字控制（Digital Control of Dynamic
A/D
e*(k)
D(z)
u*(k)
D/A
u(t)
G(s)
y(t)
数字控制 系统
忽略 量化效应
AB作为 一个环节
采样控制 系统
G(s)与保 持器离散
连续控制 系统
离散控制 系统
1.3.3 数字控制系统理论
离散系统理论
差分方程及Z变换 理论 经典设计方法 状态空间设计方 法 最优设计法 系统辨识及自适 应控制
（蓝线 — 模拟控制；红线 — 计算机控制）
2 1.6 1.2 0.8 0.4 0 0.5 1 1.5 2 2.5
基于PLC的自动售货机控制系统的设计
基于PLC的自动售货机控制系统的设计一、引言自动售货机作为一种便捷的购物方式，已经深入到人们的日常生活中。
随着科技的发展，自动售货机的功能越来越强大，可以实现自动补货、自动支付、远程控制等功能。
本文将重点研究基于PLC(可编程逻辑控制器)的自动售货机控制系统的设计，通过对PLC的原理和功能进行详细阐述，为自动售货机的控制系统设计提供理论支持。
二、PLC的基本原理和功能1.1 PLC的定义PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)是一种专门用于工业自动化控制的数字计算机。
它采用一种可编程的存储器，根据事先编写好的程序来控制各种输入输出设备的运行。
PLC具有结构简单、功能强大、可靠性高、易于编程等优点，已经成为工业自动化控制的主要设备之一。
1.2 PLC的基本组成部分PLC主要由以下几个部分组成：中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出模块、通信模块等。
其中，CPU是PLC的大脑，负责执行用户编写的程序；存储器用于存储程序和数据；输入/输出模块负责接收外部信号并输出控制信号；通信模块用于实现PLC与其他设备的通信。
2.1 PLC的编程方法PLC的编程方法主要有以下几种：图形化编程、电位图编程、语句表编程等。
其中，图形化编程是最常用的一种方法，它通过绘制程序框图来表示程序的结构，操作简单直观。
电位图编程是针对模拟量控制的一种编程方法，通过设置输入输出点的电平状态来控制设备的运行。
语句表编程是针对数字量控制的一种编程方法，通过设置输入输出点的地址来控制设备的运行。
2.2 PLC的工作原理PLC的工作过程主要包括以下几个步骤：上电自检、扫描程序、执行程序、输出结果。
当PLC上电后，会进行自检，检查各个部件是否正常工作；然后根据用户编写的程序进行扫描，找到需要执行的部分；接着按照程序的要求执行相应的操作；最后将执行结果输出到指定的设备上。
三、基于PLC的自动售货机控制系统设计3.1 系统总体设计本系统的总体设计思想是：通过PLC对自动售货机的各种功能进行控制，实现自动售货机的智能化管理。
数智化背景下“现代控制理论”课程教学改革探索
数智化背景下“现代控制理论”课程教学改革探索目录一、内容简述 (2)1.1 背景与意义 (2)1.2 研究目的与任务 (4)1.3 国内外研究现状综述 (4)二、现代控制理论概述 (6)2.1 现代控制理论的发展历程 (6)2.2 主要内容与特点 (7)2.3 在工业领域的应用 (8)三、数智化背景下的教学改革需求 (9)3.1 数智化环境下的教学挑战 (10)3.2 教学改革的必要性 (11)3.3 教学改革的目标与方向 (12)四、“现代控制理论”课程教学现状分析 (13)4.1 课程设置与教学内容现状 (14)4.2 教学方法与手段现状 (15)4.3 学生学习效果现状 (17)五、教学改革探索与实践 (18)5.1 教学内容与方法的改革 (19)5.1.1 引入案例教学 (20)5.1.2 加强实践教学环节 (21)5.1.3 利用信息技术提升教学效果 (23)5.2 教学资源配置的优化 (24)5.2.1 建设智能化教学平台 (25)5.2.2 整合优质教学资源 (26)5.2.3 提高教师教学能力 (27)5.3 学生学习激励机制的构建 (28)5.3.1 设立创新实践项目 (30)5.3.2 实施个性化教学辅导 (30)5.3.3 建立多元化的评价体系 (31)六、教学改革效果评估与展望 (33)6.1 教学改革效果的初步评估 (34)6.2 教学改革的持续改进策略 (35)6.3 未来发展趋势与展望 (37)七、结论 (38)7.1 研究成果总结 (39)7.2 研究不足与局限性分析 (40)7.3 对后续研究的建议 (41)一、内容简述随着信息技术的快速发展和数字化转型的不断深化，现代控制理论课程面临着新的挑战和机遇。
在数智化背景下，对现代控制理论课程教学改革进行深入探索，具有重要的现实意义。
本次教学改革旨在适应新时代的需求，将传统课程内容与现代技术相结合，培养学生的创新能力和实践技能。
大学数字化控制实训报告
一、实习背景与目的随着现代工业的快速发展，数字化控制技术已经成为提高生产效率、降低能耗、保障生产安全的重要手段。
为了让学生更好地了解和掌握数字化控制技术，提高实践操作能力，我们学院组织了为期两周的数字化控制实训。
本次实训旨在使学生通过实际操作，熟悉数字化控制系统的组成、工作原理和调试方法，培养学生的实际操作技能和团队协作精神。
二、实训内容与过程1. 实训内容（1）数字化控制系统的基本组成与原理（2）数字化控制系统的硬件配置与接线（3）数字化控制系统的软件编程与调试（4）数字化控制系统的应用案例分析2. 实训过程实训分为两个阶段：理论学习和实践操作。
（1）理论学习在实训开始阶段，我们首先进行了为期一周的理论学习。
通过讲解和讨论，我们对数字化控制系统的基本组成、工作原理、硬件配置、软件编程和调试方法有了初步的了解。
（2）实践操作理论学习结束后，我们进入了实践操作阶段。
以下是具体实训内容：（1）硬件配置与接线在老师的指导下，我们首先学习了数字化控制系统的硬件配置，包括控制器、传感器、执行器等。
然后，我们按照设计要求，完成了系统的硬件接线。
（2）软件编程与调试接下来，我们学习了数字化控制系统的软件编程。
在老师的帮助下，我们使用相应的编程软件，完成了控制算法的编写和调试。
在这个过程中，我们遇到了各种问题，但在老师和同学的共同努力下，最终都得到了解决。
（3）系统调试与优化完成软件编程后，我们对整个数字化控制系统进行了调试。
通过观察系统运行状态、调整参数等方式，我们对系统进行了优化，使其达到最佳工作状态。
三、实训成果与收获通过两周的数字化控制实训，我们取得了以下成果：1. 熟悉了数字化控制系统的基本组成、工作原理和调试方法；2. 掌握了数字化控制系统的硬件配置、软件编程和调试技巧；3. 培养了团队协作精神和实际操作能力；4. 对数字化控制技术有了更深入的了解。
四、实训总结与反思本次数字化控制实训使我们受益匪浅。
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数字系统理论
▪量化效应的影响 ▪非线性特性的影 响 ▪控制算法的编程
课程大纲
第一章 概论（1学时） ▪ 计算机控制系统(组成、特点、分类)
▪ 数字控制系统的新问题(与模拟控制系统的差异） ▪ 数字控制系统的理论
第二章 数字控制系统数学描述（2学时） ▪ A/D的数学描述
▪ D/A的数学描述 ▪ 信号的采样与保持 ▪ 采样系统结构
G(s)与保 持器离散
连续控制 系统
离散控制 系统
1.3.3 数字控制系统理论
离散系统理论
▪差分方程及Z变换 理论 ▪ 经典设计方法 ▪ 状态空间设计方 法 ▪ 最优设计法 ▪ 系统辨识及自适 应控制
采样系统理论
▪ 采样理论 ▪ 连续模型及性能 指标的离散化 ▪ 采样周期的选择 ▪ 采样控制系统的 仿真
1
2
3
4
差异二：数字控制系统性能的好坏取决于控制策略。 ▪ 若采用模拟调节规律，采样周期越小，控制性能越 接近模拟系统。 ▪ 若直接设计数字控制器，可以获得连续控制器无法 获得的优异的控制效果。
例3：一阶滤波器，输入为f=4.9Hz u(t) K y(t)
的周期信号。连续系统与计算机系统 （采样频率为10Hz）输出比较。
T1s 1
输出信号中出现了0.1Hz的差拍信号。 差异三： 采样频率不恰当会产生假频现象。
例4： A/D字长不同（量化效应不同） 差异四： 量化效应产生极限环振荡
1.3 数字控制系统理论
数字控制系统是时变非线性环节，因此，要对它 进行严格的分析是十分困难的。
思路：将数字控制系统进行近似等效；利用已 知理论分析；然后考虑其特殊性。
（3）缺点 ▪ 抗干扰能力低； ▪ 设计、实现复杂；
1.1.3 计算机控制系统的分类 （按功能分）
(1)数据采集系统 (2)直接数字控制系统 (DDC－Direct Digital Control)
(3)计算机监督控制系统
(SCC－Supervisory Computer Control)
(4)分布式计算机控制系统
本课程目的
1.了解数字控制系统的基本概念和理论； 2.掌握数字控制系统的建模、分析及设计 方法； 3.对数字控制器实现时的某些问题进行深 入的讨论。
第1章 概 述（1-2学时）
▪ 什么是数字控制系统？ （组成、结构、性能、分类）
▪ 为何研究数字控制系统？ （与连续系统的差异）
▪ 如何研究数字控制系统？ （数字控制系统理论）
数字控制系统理论与设计
Instructor: Prof. 林 桦 E-mail: LHUA@ 课件下载：controlsystem@ 密码：control_system
参1. 考动书态: 系T统el的: 数字87控54制36（58Di－gi8t0al4(COo)ntrol of Dynamic
▪ 控制算法的编排 ▪ 量化效应分析
▪ 各种离散等效方法及特点
▪ 数字PID设计（解析法和试验法整定PID参数）
第六章 数字控制系统离散化设计（6学时） ▪ Z平面根轨迹设计
▪ 频率域设计 ▪ 状态反馈控制规律的极点配置设计 ▪ 状态观测器设计（预测、现时、降维）
课程大纲（续）
第六章 数字控制系统实现中的某些问题（2学时） ▪ 实时控制的实现
1.3.2 几种控制系统之间的联系
采样控制系统 r(t)
r(k)
G(z)
e(t) A
e(k)
D(z)
u(k) 保持器 u(t)
B
G(s)
y(k) y(t)
数字控制系统
r(t)
e(t) A/D e*(k)
u*(k)
D(z)
D/A
u(t)
G(s)
y(t)
数字控制 系统
忽略 量化效应
采样控制 系统
AB作为 一个环节
System）第3版 Gene F.Franklin等，清华大学出版社，2001
2．计算机控制系统－理论、设计与实现 高金源 北京航空
航天大学出版社
3. 计算机控制系统－原理与设计 （第三版） （Computer-
Controlled Systems Theory and Design）电子工业出版社，2001
（与模拟控制系统相比）
（1）特点
▪ 模拟器件与数字器件混合（结构不同）
▪ 模拟信号与数字信号混合（信号形式不同） ▪ 离散控制、时间延迟（控制方式不同） ▪ 一个计算机同时控制多个对象（工作方式不同）
（2）优点 ▪ 能实现复杂的控制规律，适应性强、灵活性高； ▪ 便于集中监控； ▪ 形小体轻，性能价格比高；
例：炉温控制系统
r(t)
e(t)
放大器与 电动机
u(t)
阀门
y(t)
炉子
连续控制系统 炉子时间常数大，产生大的超调
r(t) e(t)
放大器与 电动机
阀门
y(t)
炉子
采样控制系统
采样控制系统
பைடு நூலகம்
(3) 数字控制系统
r(t) e(t)
e*(k)
u*(k)
u(t)
y(t)
A/D
D(z)
D/A
G(s)
混合信号: 连续模拟量: r(t),e(t),u(t),y(t) 数字信号: e*(k),u*(k)
(DCCS－Distributed Computer Control system)
1.2 数字控制系统的新问题
（计算机控制系统与连续系统的差异）
例1： 滤波器
u(t)
1 y(t)
s 1
输入与采样时刻相同
输入与采样时刻不相同
实线 — 模拟控制 圆点 — 计算机控制
差异一： 数字控制系统为时变系统
例2：连续控制系统 G(s) 1 s(s 1)
（蓝线 — 模拟控制；红线 — 计算机控制）
2 1.6 1.2 0.8 0.4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
—— 采样周期过大，系统不稳定
(3)用计算机实现最小拍控制（数字控制器）
仿真程序S3
T 1s
1.2
u(z)
z 0.368 0.8
1.582
E(z)
z 0.418
0.4
0
兰线 — 模拟控制 红线 — 计算机控制
课程大纲（续）
第三章 离散系统分析（3学时）
▪ Z变换与差分方程 ▪ 脉冲传递函数 ▪ 稳定性分析 ▪ 稳态误差分析 ▪ 动态性能分析
第四章 采样系统分析（6学时）
▪ 等效连续系统分析 ▪ 采样系统的离散模型 ▪ 采样系统的方框图分析
▪ 采样系统性能分析
课程大纲（续）
第五章 数字控制系统的模拟化设计（4学时） ▪ 基本原理
超前校正 D(s) 70 s 2
s 10
（1）连续控制系统阶跃响应
（2）用计算机实现模拟调节规律（前向差分）
u(k 1) (110T )u(k) 70(2T 1)e(k) 70e(k 1)
计算机仿真:
u(z) 70 z 1 2T E(z) z 110T
仿真结果（兰线 —模拟控制；红线 — 计算机控制）
H(s)
测量装置
被控对象（包括执行机构）； 测量装置； 数字控制器（计算机）； 输入/输出通道(A/D，D/A)
G(s) 输出
被控对象
用计算机实现控制器的作用 —— 计算机控制系统 系统中含有数字信号 —— 数字控制系统
(2) 硬件组成
(3) 控制过程实质 输入－计算－输出
1.1.2 数字控制系统的特点
1.1 数字控制系统(计算机控制系统）
例: 雷达天线位置伺服控制系统
模拟控制缺点： ➢不便于修改参数； ➢难以实现复杂控制；
数字控制器
位置给定 A/D
校正 计算机
校正 D/A 放大 电机及齿轮 雷达
A/D
转速测量
A/D
位置测量
1.1.1 计算机控制系统的组成
(1) 原理框图
给定
A/D
计算机
D/A
1.5
1.6
系统 1.0
1.2
0.8
输出 0.5
0.4
00
1
2
0 0.5 1 1.5 2 2.5
80
60
计算机 60
40
40
输出
20
20
0
0
-20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
T=0.025s
T=0.05s
——采样周期越小，数字控制越接近模拟控制效果
采样周期增大为T=0.5s 仿真
1.3.1 控制系统的几种类型 （按信号形式分）
(1)连续控制系统
r(t) e(t)
u(t)
y(t)
D(s)
G(s)
—— 每个信号均为连续模拟量
(2)采样控制系统
r(t) e(t) e(k)
u(k)
u(t)
y(t)
D(z)
保持器
G(s)
混合信号： 连续模拟量：r(t),e(t),u(t),y(t) 离散模拟量：e(k),u(k)