课程概述

“计算机控制系统”课程定位为自动化专业高端专业课程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，其中主要包括信号变换、系统建模与性能分析、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，基于状态空间模型的数字控制器极点配置设计方法，计算机控制系统仿真，以及计算机控制系统的工程化实现等技术。同时，课程设置了针对不同被控对象特性的多种实验，包括基础型实验和研究型实验，以加深对计算机控制系统基础理论和方法的理解。

通过本课程的学习，将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。

 授课目标

通过本课程的学习，为培养学生的控制学科研究能力，以及控制领域工程设计、开发解决方案能力奠定坚实的基础；同时，可以培养学生掌握一定的工程知识，具有一定的分析问题和解决问题的能力。

 课程大纲

01

计算机控制系统概述

掌握的基础知识，本模块解决的问题，控制系统一些基本概念。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。计算机控制实验系统要求、构成和使用。

课时

1.1 计算机控制系统课程导学

1.2 计算机控制系统内容简介

1.3 计算机控制系统的过程通道和总线接口技术

1.4 模拟与数字信号之间的相互转换

1.5 计算机控制实验系统简介

第一章 计算机控制系统概述 测验

第一章 计算机控制系统概述 作业

02

信号转换与z变换

掌握的基础知识，本模块解决的问题；信号转换过程，A/D和D/A原理。采样过程及其采样函数的分析，采样定理；零阶/一阶保持器z变换定义，z变换方法，z变换基本定理；z反变换定义，z反变换方法。

课时

2.1 信号转换与z变换导学

2.2 信号转换分析

2.3 z变换与z反变换

2.4 信息转换的工程化技术

2.5 扩展z变换

第二章 信号转换与z变换 测验

第二章 信号转换与z变换 作业

03

计算机控制系统数学描述与性能分析

掌握的基础知识，本模块解决的问题，控制系统的稳定性问题。脉冲传递函数的定义，脉冲传递函数的建立；计算机控制系统的脉冲传递函数。计算机控制系统的稳定性含义，s平面与z平面的映射关系，采样周期对计算机控制系统稳定的影响；劳斯（Routh）稳定性判据； 朱利（Jury）稳定性判据。稳态误差与误差系数，系统类型与稳态误差，采样周期对稳态误差的影响； z平面极点分布与暂态响应的关系，采样周期对暂态响应的影响。

课时

3.1 计算机控制系统数学描述与性能分析导学

3.2 脉冲传递函数模型的建立

3.3 计算机控制系统的稳定性分析

3.4 计算机控制系统的稳态与暂态性能分析

第三章 计算机控制系统数学描述与性能分析 测验

第三章 计算机控制系统数学描述与性能分析 作业

04

数字控制器的模拟化设计方法

掌握的基础知识，本模块解决的问题；模拟化设计方法基本原理z变换法；差分变换法；双线性变换法； 零极点匹配法。基本数字PID控制算法；数字PID控制算法的工程化改进；数字PID控制器的参数整定。纯滞后问题的提出，Smith预估控制设计原理；Smith预估控制算法的工程化改进。

课时

4.1 数字控制器的模拟化设计方法导学

4.2 连续控制器的离散化方法

4.3 数字PID控制器

4.4 Smith预估控制

第四章 数字控制器的模拟化设计方法 单元测验

第四章 数字控制器的模拟化设计方法 单元作业

05

数字控制器的直接设计方法

掌握的基础知识，本模块解决的问题；解析设计方法基本原理简单对象最小拍控制器设计；复杂对象最小拍控制器设计。最小拍控制系统存在的问题；最小拍无纹波控制器的设计；针对输入信号类型敏感问题的改进；针对模型参数变化敏感问题的改进。大林算法设计原理；振铃现象及其消除方法。解决振铃现象中关键参数的选择；解决分数时滞问题中关键参数的选择。

课时

5.1 数字控制器的直接设计方法导学

5.2 最小拍控制器的设计方法

5.3 最小拍控制器的工程化改进

5.4 大林算法控制器的设计

5.5 大林算法工程应用中关键参数的选择

第五章 数字控制器的直接设计方法 测验

第五章 数字控制器的直接设计方法 作业

06

基于状态空间模型的极点配置设计方法

掌握的基础知识，本模块解决的问题；状态空间的一些基本理论，离散状态空间模型与z传递函数之间的关系。离散状态空间模型的3种建立方法：连续系统的状态空间模型，差分方程，脉冲传递函数 。状态可测时按极点配置设计控制规律，闭环系统极点的选择。预报观测器；现时观测器；降阶观测器。调节系统控制器的设计；随动系统控制器的设计。

课时

6.1 基于状态空间模型的极点配置设计方法导学

6.2 离散系统状态空间模型的建立

6.3 状态可测时按极点配置设计控制规律

6.4 按极点配置设计状态观测器

6.5 状态不可测时控制器的设计

第六章 基于状态空间模型的极点配置设计方法 测验

第六章 基于状态空间模型的极点配置设计方法 作业

 预备知识

自动控制原理，微型机原理，数字电子技术基础