计算机控制系统参考教学大纲

1计算机控制系统参考教学大纲1课程简介课程名称：计算机控制系统COMPUTERCONTROLSYSTEM学时、学分：60/3开课学期：□秋季■春季先修课程：计算机文化基础，自动控制原理，微机原理及接口技术，数字电子技术基础，模拟电子技术基础，电路，复变函数与积分变换内容简介：本课程在自动控制原理和微机原理、数字/模拟技术的基础上，讲授计算机控制系统的基本理论和分析设计方法。明确讲明计算机控制与传统连续控制的相同与不同之处；离散系统的基本分析概念；数字化设计方法和各种经典设计方法的离散化方法；基于现代控制理论的多变量系统分析与设计方法；计算机控制系统的量化、字长效应；工程实现中的问题等，利用综合作业加深学生的认识和工程上设计一个计算机控制系统的能力。本课程是自动控制专业学生的重要技术基础课，具有重要的工程意义。通过本门课程的学习，将培养学生具有扎实的计算机控制理论基础及初步解决计算机控制系统的工程实现问题的能力，培养学生的创新意识。为了培养学生计算机控制系统实验开发能力，增强学生的过程实践经验，在“计算机控制系统”课程完成理论教学的基础上，单独安排了一组计算机控制系统系列实验教学。其教学内容涉及到计算机控制系统的工程实现中的许多问题，学生利用所选择的实验平台实现对模拟数据采集以及输出测试、定时中断，完成对闭环计算机控制系统调试等系列实验。使学生初步达到能独立组成和调试计算机控制系统的能力，为今后从事相关系统的开发打下必要的基础。2.授课对象本课程为本科自动化类专业的专业基础课程，重点面向已经具备了先修课程基础、未来具有运动体控制、机器人控制和其他工业过程控制需求背景的大学三年级学生。本课程针对具有高动态特征的运动体控制问题，解决系统的连续/离2散化建模、分析、设计与实现技术，通过系列实验，培养学生对计算机控制系统的深刻认识和自行开发、设计调试一个简单控制系统的能力。3.教学大纲课程名称：计算机控制系统COMPUTERCONTROLSYSTEM学时/学分：60/3,其中理论教学为40/2,实验教学为20/1。先修课程：计算机文化基础，自动控制原理，微机原理及接口技术，数字电子技术基础，模拟电子技术基础，电路，复变函数与积分变换3.1课程教学目标计算机控制系统主要是指计算机参与控制的闭环系统。本课程将重点讲授计算机控制系统的基本理论以及各种设计方法和工程实现中的一些问题，并安排系列实验，对学生进行构建、调试计算机控制系统能力的培养与教育。本课程是自动控制专业学生的重要技术基础课。通过本门课程的学习，将培养学生具有扎实的计算机控制理论基础、掌握各种设计方法和初步解决计算机控制系统工程实现问题和构建、调试系统的能力。本课程教学分为理论教学与实验教学两部分。3.2教学内容及基本要3.2.1理论教学内容及基本要求（一）课程的主要内容1.绪论——2学时计算机控制系统的发展过程；计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义；计算机控制系统的组成及工作原理；计算机控制的特点、优点和问题；与模拟控制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题。2.计算机控制系统的信号特性——4学时计算机控制系统中的数字部件特性及影响；多种信号形式、特性及混合采样信号的物理恢复过程；前、后置滤波器的作用；采样系统研究的简化。3.计算机控制系统的数学描述——6学时3差分方程及其收敛条件；在z变换及其特性；z变换与差分方程的关系与相互变换；脉冲传递函数及其应用；频率域描述；计算机控制系统的状态空间描述。4.计算机控制系统分析——4学时s平面与z平面的映射关系；计算机控制系统的稳定性与稳态误差分析；时间与特性与频率域特性分析。5.计算机控制系统的经典设计——8学时1）连续域离散化的数字化设计——5学时设计的基本原理及步骤；连续控制器的离散化方法：一阶前向、后向差分近似法、Tustin变换法、匹配z变换法；设计举例；数字PID调节器设计。2）根轨迹与频率域设计——3学时离散系统的稳态、动态时域设计指标；z平面根轨迹分析及根轨迹设计；离散系统的频率域指标；w变换及频率域设计。6.状态空间设计——6学时离散系统的可控性与可达性；可观性与可重构性；采样系统的可控可观性与采样周期的关系；状态反馈设计；状态观测器设计；调节器设计。7.计算机控制系统的实现技术——10学时1）控制器算法的结构编排与量化效应——5学时计算机控制系统的硬件组成与输入输出接口；测试信号处理与实时软件编程；控制器算法的结构编排；控制器系数量化分析；量化误差分析及其传播；量化的非线性效应；控制器的动态范围和量化误差补偿2）计算机控制系统的实现——4学时比例因子配置；计算时延的处理方法；控制器算法的程序实现3）计算机控制系统的采样频率——1学时采样频率对计算机控制系统的影响；根据系统动态特性选择采样频率；采样频率选取的经验规则。(二)理论教学的基本要求1.本课程应重点讲述计算机控制系统与连续模拟系统在构成、特性、设计4方法及实现上的不同特点，在“自动控制原理”的基础上，应对计算机控制系统的基本理论进行重点复习讲述，突出离散系统的基本概念及其扩展应用。2.在讲述计算机控制系统设计方法时，由于连续域—离散化设计法具有更为广泛的应用价值，应结合科研实例重点讲述；在经典设计方法中，强调离散系统的根轨迹和频率域分析，使学生掌握分析方法与概念，设计方法由于过程较为复杂，仅作介绍；在讲述状态空间方法中侧重离散域系统设计与状态观测器的分析与设计方法。3.在讲述计算机控制系统工程实现问题时，主要讲述如何初步组成和实现一个计算机控制系统，如何利用程序实现控制算法及其引起的系统闭环特性变化。本课程将不讨论有关计算机硬件及汇编软件的编制问题。4.限于学时，有关计算机控制系统的实际构成、接口、软硬件实现及调试等问题，将放在后续“计算机控制系统系列实验”中重点给予解决。注：本课程理论教学课内外学时比例1：13.2.2实验教学内容及基本要求(一)实验教学内容本课程采用讲课和实验相结合的方式进行教学，其中讲课4~6学时，实验14~16学时。1、讲课内容1）直流伺服系统元部件测试与建模、模拟系统的搭建。内容：电位计、测速机、功率放大器、直流力矩电机的主要性能参数测试方法与建模。相关模拟系统以及调理电路的搭建。2）开发应用平台介绍、A/D和D/A转换器或转换（芯片）卡的介绍及编程方法。定时中断系统、显示及串口通信的介绍和编程方法。内容：模数、数模转换芯片介绍、编程方法；中断系统原理、定时器介绍、中断编程方法；定时中断，实现LED显示和串口数据通讯。3）计算机控制系统的实时软件编程。内容：计算机控制系统的实时软件构成以及应用软件的编程方法。定点数的表示、码制变换、溢出保护、比例因子配置。52、实验内容1）小功率随动系统的元部件测试及建模。内容：分别测试力矩电机，测速机，功率放大器及反馈电位计的各种性能及输入/输出特性，根据测试结果建立小功率随动系统的数学模型。要求：了解上述元部件主要特性参数测试方法和原理；了解有关测量仪器的使用方法；学习数据处理及建立数学模型的基本方法；了解元部件的非线性因素及模型误差产生的原因等。2）开发应用平台学习使用，进行输入输出接口的测试及显示。内容：熟悉开发应用平台的使用，针对单片机实现平台熟悉运行程序的下载烧制过程。用C语言编制带定时器的A/D程序；通过外加电压进行数据采集和调试；进行采样数据的LED显示。要求：了解A/D接口的基本原理，硬件结构及编程方法等;掌握计算机内部的数据转换和储存方式;学会定时器的原理及使用方法。3）采样系统的构成及中断的使用，对单片机系统实现串口数据传输。内容：编制并调试带定时器的D/A程序；接入A/D、D/A程序以及中断管理程序，实现信号的连续采样与输出。微机平台实现测试信号的保存及显示，单片机平台实现测试信号通过串口进行通信上传和保存。要求：了解D/A接口原理及使用；相应的设置及编程方法等；掌握中断的原理及中断编程方法。单片机实现平台组需要完成串口方式的设置，实现通信数据传输的应用。4）计算机控制系统的闭环实验调试内容：按已设计的系统控制规律开发实时应用软件，并利用前面实验所编制的A/D、D/A、中断、通信传输等程序，实现闭环计算机控制。通过调试使闭环系统性能达到设计要求。要求：学习掌握实时控制应用软件的编程方法，掌握计算机控制系统闭环调试方法，培养解决系统调试中所遇到的实际问题的能力。(二)实验教学的基本要求通过本实验课程的学习和操作，应实现下述要求：1）通过典型直流小功率伺服系统主要元部件特性参数的测试实验，学生应了解6掌握直流电动机、测速机、电位计、功率放大器等主要部件的数学模型以及主要参数测试方法，并能独立完成测试，通过实际测试，应使学生初步了解实验数据的处理方法。2）使用和掌握所选择的开发应用平台（微机或单片机），具有相关的应用能力。3）掌握A/D、D/A的软件编程及调试能力，掌握利用定时器实现中断管理、定时采样的方法并能编制程序实现中断管理，针对单片机平台实现串口通信以及LED显示。4）掌握计算机控制系统的实时应用软件编程方法，具有一定的编程及调试能力。5）初步掌握简单计算机控制系统闭环调试方法，并具有排除常见故障的能力。3.3教学安排及方式3.3.1理论教学安排及方式计算机控制系统的基本理论是在连续系统控制理论的基础上发展而来的。本课程应讲清离散系统与连续系统的公共理论基础及它们的不同之处，巩固连续控制系统理论的基本概念，突出离散控制的相应理论及要点。本课程强调与工程实践相结合，重点解决工程实现中的技术问题，但不涉及具体软硬件实现技术。教学环节学时安排课程内容讲课实验习题课讨论课上机参观其它小计绪论22信号特性44数字描述66系统分析44连续域离散化设计55离散域经典设计33状态空间设计66结构编排、量化效应55系统实现44采样频率的选择117总计4040教学方法主要以讲授为主，安排一定数量的习题，使学生巩固所学的内容，此外还将安排二次综合习题作业。在课堂教学之外，通过一次上机作业，让学生对离散系统的基本问题进行专门研究，写出分析报告，并配以适当的讨论课，以加深学生对概念的理解，提高教学效果。本课程的后续课程为“计算机控制系统实验”，包括两种计算机控制系统的实验内容，学生可以选作其中一种，增强对计算机控制系统实现技术的更深入的认识和掌握，具备搭建计算机控制系统的能力。。每章之后安排26道与课上基本内容相关的习题。对习题中的公共、重大问题与上机综合习题，安排部分时间进行专门讨论。综合习题：1.配合第三、四章内容，以计算机中的MATLAB软件环境为基础，计算各种离散化方法在不同采样频率下的频率特性，包括：编程、输出结果、结果分析，以加深学生对课程内容的理解。2.配合前七章内容，设计一个小功率随动系统计算机控制的调节器，包括：选择采样周期、离散化连续对象、进行系统静态和动态设计、设计观测器调节器、对控制器进行编排、对闭环系统进行仿真等，为后面的计算机控制系统系列实验打好基础。3.3.2实验教学安排及方式实验教学依实验平台分两组进行。每组利用多套实验平台按2-3人分小组进行教学活动。在实验之前学生应完成下述实验准备：（1）实验前预习实验指导书及教材有关知识；（2）实验前预习有关芯片、部件以及系统的原理与应用电路；（3）实验前预习有关软件知识，按照所给定的性能指标要求，进行控制器的设计，并通过仿真验证；（4）和老师一起构建实验框架、内容和方案，完成计算机控制系统的闭环实验。第一组：微机实现直流电机伺服控制8教学环节教学时数课程内容讲课实验习题课讨论课上机参观其它小计备注模拟随动系统调试44模数转换和数据采集235定时、中断和计算机控制程序设计235计算机控制随动系统综合实验66总计41620第二组：单片机实现模拟机系统控制教学环节教学时数课程内容讲课实验习题课讨论课上机参观其它小计备注元件测试与建模112开发应用平台学习使用进行输入输出接口的测试及显示235采样系统的构成及中断的使用实现串口数据传输123计算机控制系统的实验2810总计61420注：本实验教