《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