中央广播电视大学高等专科
《计算机控制技术》课程教学大纲
第一部分 大纲说明
一、课程性质与任务
本课程是中央电大高等专科计算机应用专业（控制方向）的必修专业课。总学时为
72学时, 一学期学完。
本课程教学的基本任务是使学生在掌握和了解自动控制及计算机控制工作原理和初步分析、设计方法的基础上，培养学生具有完成简单计算机控制系统构成、实时软件编制以及系统调试维护的基本知识和能力，为毕业后参与计算机控制系统开发、调试和维护打下初步基础。
本课程的主要特点是：
·为适应计算机应用专业学生的特点，本课在重点讲述有关计算机控制技术的内容前，首先要简要地介绍自动控制理论的一般概念和基本知识；
·本课程是一门讲述计算机控制系统分析与实现的理论与实践密切结合的专业课；
·本课程将注重结合物理概念和实例说明一些重要的概念、定义、术语和基本的控制规律，并通过完成一定的实验及作业巩固所讲述的内容。
二、与其它课程的关系
本课的先修课为“高等数学” 、“计算机电路基础(Ⅱ)” 、“计算机结构原理与汇编语言”以及“微机接口技术” 、C语言程序设计。后续课程为“单片机技术”。
学生在学习本课程之前应具有计算机及接口和软件编制等方面的基本知识。
三、教学总体要求
1．掌握课程中所介绍的有关自动控制、计算机控制中常用的基本术语、定义、概念
和规律，在今后的学习和工作中应能较熟练地应用这些概念和术语。
掌握自动控制、计算机控制系统的构成原理和系统的时域、频域基本特性。
掌握计算机控制系统实现中主要问题的基本处理方法（例如，系统硬件配置，
实时软件开发，系统调试，抗干扰等）。
2．理解自动控制、计算机控制系统的基本分析方法及改善系统性能的主要途径。要求能对简单的问题进行计算。
3．对计算机控制系统的发展趋势及所介绍的现代控制技术有所了解。
四、教学方法及教学形式建议
本课程规定的教学形式有自学、收视录像和面授辅导以及做规定的习题作业和实验等。作业和实验成绩占总成绩的20%，期末考试成绩占80%。未完成作业及实验者不能参加课程的期末考试。
五、课程教学要求的层次
课程教学要求分为掌握、理解和了解三个层次。要求掌握的内容为课程的重点。理解的内容是要求学生能够较好地了解并能做初步应用的内容。要求了解的内容为一般扩展的知识，知道即可。
第二部分 教学内容及要求
一、自动控制的基本概念
1．教学内容
(1)
自动控制的一般概念, 闭环负反馈控制，开环控制。
（2）自动控制系统的组成及各组成部分的功用。
(3) 自动控制系统分类，连续控制系统, 计算机控制系统。
(4) 计算机控制系统的组成，特点，应用分类。
(5) 自动控制系统的基本要求, 脉冲响应, 阶跃响应。
(6) 自动控制系统的发展。
2．教学要求
(1) 掌握自动控制、闭环负反馈等基本概念。
(2) 掌握自动控制系统和计算机控制系统组成、特点及常用术语。
(3) 掌握控制系统的基本要求、脉冲响应、阶跃响应的概念。
(4) 了解控制系统、计算机控制系统的分类及应用。
(5) 了解自动控制系统的发展状况。
二、连续控制系统的数学描述
1．教学内容
(1) 控制系统的数学模型及建立数学模型的方法。
(2) 连续控制系统的微分方程描述, 线性系统, 非线性系统。
(3) 拉氏变换定义，主要性质，拉氏变换与反变换，拉氏变换的应用。
(4) 传递函数定义，性质, 零点, 极点, 特征方程。
(5) 典型环节及其传递函数。
(6) 系统方块图表示，串并联及反馈系统方块图的等效变换。
2．教学要求
(1) 掌握传递函数的定义、性质及与此有关的名词、术语等基本概念（特征方程、零极点等）。典型环节的微分方程及传递函数表示和相关参数名称。
(2) 掌握系统方块图表示方法，等效变换方法与应用, 会用等效变换求闭环传递函数。
(3) 理解系统数学模型的概念, 系统微分方程的描述方法, 拉氏变换方法、性质与应用。
(4) 了解建立系统微分方程的步骤以及有关线性、非线性系统的概念。
三、连续控制系统分析与校正
1．教学内容
(1) 一阶、二阶系统时域特性，系统时域特性的计算机求解。
(2) 系统稳定性的定义，连续系统稳定性的充要条件，稳定性的代数判据, 影响稳定性的因素。
(3) 系统稳态误差的定义, 计算稳态误差的方法, 系统无静差度, 减少稳态误差的方法。
(4) 频率特性的概念, 幅频相频特性, 对数频率特性, 典型环节的渐近对数频率特性，系统开环频率特性。
(5)稳定裕度、穿越频率概念, 稳定性的频域判据, 开环频率特性与闭环系统性能的定性关系(以二阶系统为例说明)。
(6) 闭环系统频域指标, 频带的概念。
(7) 系统校正概念，串联校正（PID校正）, 测速反馈并联校正。
2．教学要求
(1) 掌握一、二阶系统时域特性的基本特征, 系统稳定性概念, 稳定的充要条件, 稳态误差的定义以及无静差度的概念, 影响系统稳定性及稳态误差的因素。
(2) 掌握频率特性, 渐近对数频率特性，稳定裕度，穿越频率，频带等基本概念。
(3) 理解典型环节、开环渐近对数频率特性曲线的绘制方法以及从曲线中求取系统稳态误差、判稳定性、求稳定裕度的方法。
(4) 了解系统稳定性的代数判据、闭环频率特性。
(5) 了解系统校正以及串联PID、并联测速反馈校正的概念。
四、计算机控制系统的信号特性
1．教学内容
(1) 计算机控制系统信号特性分析。
(2) 采样开关特性，采样信号的时域表示，采样定理。
(3) 信号幅值的量化，量化误差，量化方法。计算机控制系统的量化，量化对系统的影响。
(4) 零阶保持器的时域特性、频率特性、传递函数。
(5) 前置及后置滤波器的概念与作用。
2．教学要求
(1) 掌握计算机控制系统中的信号特点、采样信号的时域表示以及采样定理的规定与应用。
(2) 掌握零阶保持器的时域及频率特性和传递函数的表达式。
(3) 理解量化及量化误差的概念和对系统性能的影响。
(4) 了解前置滤波器及后置滤波器的作用。
五、计算机控制系统的数学描述及系统分析
1．教学内容
(1) 离散系统差分方程描述。
(2) Z变换定义，主要性质，Z变换与反变换方法，用Z变换求解差分方程。
(3) 脉冲传递函数定义及性质，差分方程与脉冲传递函数的关系。
(4) 离散系统的方块图表示，方块图的等效变换，闭环传递函数的求取。
(5) 离散系统的稳定性，稳定的充要条件，低阶（1，2阶）系统代数判据，影响离散系统稳定性的因素。
(6) 离散系统的稳态误差。
(7) 离散系统的动态响应求取方法。
2．教学要求
(1) 掌握脉冲传递函数定义、性质，差分方程与脉冲传递函数，系统方块图及方块图的等效变换，从方块图中求取闭环传递函数。
(2) 掌握离散系统稳定性及稳定性的充要条件，采样周期与稳定性关系，连续系统稳定性与离散系统稳定性关系。离散系统的稳态误差。
(3) 理解Z变换的定义、性质及反变换方法。
(4) 了解离散系统稳定性的代数判据及动态响应的求解方法。
六、计算机控制系统的控制算法及程序实现
1．教学内容
(1) 连续控制算法的计算机实现：一阶差分变换及双线性变换。
(2) 数字PID算法：位置及增量算法，积分分离法，微分算法的改进，数字PID的参数整定。
(3) 控制算法的程序实现（直接实现，串联实现，并联实现）。
2．教学要求
(1) 掌握一阶差分变换及双线性变换方法的使用。
(2) 掌握数字PID基本算法。
(3) 掌握三种控制算法的程序实现。
(4) 理解数字PID的在线整定方法。
(5) 了解数字PID改进算法。
七、控制用计算机系统
1．教学内容
(1) 控制用计算机系统的基本组成与配置。
(2) 对主机、模入模出通道、开入开出通道、采样／保持等部件的要求以及性能指标的选取。
(3) 对实时控制软件的要求，实时控制软件的组成，编程语言选择，实时应用软件的开发过程。
(4) 实时控制系统中采样周期的选择及经验规则。
(5) 实时控制算法的编程：采样信号的变换处理，控制算法差分方程的实现, 控制算法编排实现时减少时延的方法, 控制算法中非线性特性的程序实现, 抗积分饱和算法, 速率及位置限制的程序实现等。
(6) 实时操作系统简述。
2．教学要求
(1) 掌握控制用计算机主机、A/D、D/A、S/H等部件主要特性的选用原则与方法。
(2) 掌握实时控制软件的开发及控制算法的实现技术。
(3) 掌握选取采样周期的原则及经验规则。
(4) 理解实时控制计算机系统的基本组成，实时控制软件的组成及一般要求。
(5) 了解实时操作系统的概况。
八、计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术
1．教学内容
(1) 实时计算机控制系统的运行环境，干扰源，干扰种类。
(2) 抗干扰措施：屏蔽技术, 接地技术, 电源系统抗干扰措施, 看门狗电路的应用。
(3) 干扰的滤波技术：模拟滤波网络, 数字滤波算法及应用。
(4) 计算机控制系统可靠性：系统故障，可靠性特征量概念，提高单机可靠性措施，余度技术的应用。
(5) 软件可靠性的概念：软件故障，软件工程设计方法，常用的提高软件可靠性的措施。
(6) 故障诊断技术简介。
2. 教学要求
(1) 掌握所讲述的屏蔽技术、接地技术、电源抗干扰技术。
(2) 掌握常用的模拟式及数字式滤波算法的应用。
(3) 理解看门狗电路的应用及提高软件可靠性的常用方法。
(4) 了解关于系统可靠性的概念以及硬件的冗余技术。
(5) 了解故障诊断技术的一般方法。
九、计算机控制系统设计与调试
1．教学内容
(1) 计算机控制系统设计的基本要求，设计的一般步骤。
(2) 系统的数学仿真方法，常用的仿真软件。
(3) 计算机控制系统调试方案设计，硬件调试, 软件调试，验证与确认，系统实时仿真调试，系统现场调试。
(4) 系统调试的主要技术：系统动态及静态指标的调整与测试, 常见问题的解决方法。
(5) 设计举例：高精度数字随动系统设计与调试。
2．教学要求
(1) 理解计算机控制系统设计、调试的一般步骤及系统调试的主要技术。
(3) 了解所列举的设计实例。
(4) 了解计算机控制系统数学及实时仿真方法。
十、可编程控制器与集散控制系统
1．教学内容
(1) 可编程控制器：可编程控制器概念、特点、发展, 可编程控制器的基本结构及工作原理, 应用举例。
(2) 集散控制系统：集散控制系统概念、特点、发展, 体系结构, 基本控制器, 软件模块组态原理，应用举例。
2．教学要求
了解这两种控制系统的概念、特点、工作原理及应用。
第三部分 实验内容
一、实验要求
1．实验是本课程不可缺少的重要教学环节，由各地方电大负责开出。必做的实验共五个，实验学时为１８学时, 应尽可能配合课程进程开出。
2．要加强实验教学的组织与管理，按实验指导书要求安排实验内容, 每次实验人数不要过多，通常应不多于３人，必须保证每个学生有充分动手实验的机会。
3．实验前要求学生预习，做好实验准备工作。教师做好实验指导。实验后学生要写出统一规格的、严谨的、实事求是、文字工整的实验报告。
4．实验成绩按５级评分，实验不及格者不能参加本课程的期末考试。
二、实验内容
实验1：一阶及二阶系统阶跃响应性能指标测试及分析（3学时）。
实验2：二阶系统频率特性测试（3学时）。
实验3：数字式PID调节器控制算法实验研究（4学时）
实验4：实时控制应用软件的开发与调试（4学时）。
实验5：计算机控制的小功率随动系统调试（4学时）。
主要实验设备
(1) 实时控制计算机系统(PC-486以上的个人计算机, 8位以上的A/D及D/A, MATLAB软件等) 。
(2) 小功率直流随动系统学习机(XST-3型, 清华大学教学仪器厂产) 。
第四部分 学时分配及多媒体教材建议
一、学时分配：讲课54学时，实验18学时，总计72学时。
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序 号 |
内 容 |
讲课学时 |
实验学时 |
录像学时 |
|
1 |
自动控制基本概念 |
3 |
|
2 |
|
2 |
连续控制系统数学描述 |
5 |
|
2 |
|
3 |
连续控制系统分析与校正 |
7 |
3×2=6 |
2 |
|
4 |
计算机控制系统信号特性分析 |
4 |
|
1 |
|
5 |
计算机控制系统的数学描述及系统分析 |
8 |
|
2 |
|
6 |
计算机控制系统的控制算法及程序实现 |
4 |
4 |
2 |
|
7 |
控制用计算机系统 |
10 |
4 |
2 |
|
8 |
计算机控制系统的抗干扰与可靠性技术 |
5 |
|
1 |
|
9 |
计算机控制系统设计与调试 |
3 |
4 |
2 |
|
10 |
可编程控制器与集散控制系统 |
3 |
|
|
|
11 |
课程总结复习 |
2 |
|
2 |
|
|
总 计 |
54 |
18 |
18 |
二、多媒体教材建议
1．文字教材为主要媒体, 文字教材与实验指导书合订出版。
2．录像教材为辅助媒体, 录像按专题讲授, 主要内容为每章的学习指导及难点,共18学时，其中课程总结复习2学时。
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