北方工业大学：电气工程及其自动化《计算机控制系统》课程教学大纲.pdf_大学文库

2 目录 1 课程基本信息.............................................................................................................................. 3 2 毕业要求与课程目标.........................................................................................................4 2.1 本课程支撑的毕业要求观测点....................................................................................4 2.2 课程目标...........................................................................................................................4 2.3 毕业要求与课程目标的关系....................................................................................... 6 3 课程内容及安排..........................................................................................................................6 3.1 课程学时总体安排.........................................................................................................6 3.2 知识单元内容和预期学习目标...................................................................................6 4 课堂教学设计和实施载体......................................................................................................... 8 5 课堂实验教学.............................................................................................................................. 9 5.1 实验名称和安排............................................................................................................. 9 5.2 实验要求和教学组织.................................................................................................. 10 5.3 实验预习和实验报告要求..........................................................................................11 5.4 实验教学在能力培养方面的具体措施................................................................... 12 6 课程考核方案和依据...............................................................................................................12 6.1 课程考核方案................................................................................................................12 6.2 课程各考核项评价依据和标准..................................................................................12 7 本次修订说明............................................................................................................................ 14 8 其他需要说明的问题...............................................................................................................14

3 1 课程基本信息课程名称（中文）计算机控制系统课程名称（英文） Computer Control System 课程计划学时 32 课外学时建议 32 计划学时构成理论学时 26 实验学时 6 上机学时 0 课外学时要求线上学习要求：0 自主学习建议学时：32 先修课名称《电路》-课程编码：7021241 《自动控制原理 I》-课程编码：7120401 《现代检测技术》-课程编码：7268911 适用专业年级自动化专业、电气工程及其自动化专业、新能源科学与工程专业 2019 级及以后年级开课单位自动化系课程简介计算机控制与总线接口技术是自动化专业、电气工程及其自动化专业和新能源科学与工程专业的专业选修课。通过本课程的学习使学生掌握计算机控制系统主要的描述、分析、设计及实现方法和技术，使学生能够将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程。课程内容包括：信号变换原理，差分方程及 z 变换，脉冲传递函数，离散系统分析，数字控制器设计，计算机输入输出接口技术，人机接口技术，现场总线与网络化控制系统，计算机系统的工程设计和抗干扰技术等。教材和学习资源基础资料：（1）《计算机控制系统》孙德辉李志军史运涛董哲. 国防工业出版社. 2010 ISBN:9787118067385 （2）《计算机控制系统实验指导书》(电子版）北方工业大学电控实验中心控制系统实验室，2020 年编参考资料：（1）《计算机控制系统》.高金源夏洁. 清华大学出版社. 2007. ISBN： 9787302136002 （2）《计算机控制系统》第 2 版.王锦标. 清华大学出版社. 2008. ISBN:9787302171812 大纲版本号 DG7053001-202111 自动化前一版本号 DG7053001-201601 自动化大纲修订人曲亚鑫、郑勇修订时间 2021.11 课程负责人徐继宁（签字）实验教学审核人胡长斌（签字）

能够解释、推导和理解S平面、Z平面和W平面之间的关系，熟练完成计算机控制系统的稳定性分析，会计算线性MIS0系统的稳态误差，能够借助解析求解和仿真手段分析各类线性系统的时域动态特性。 JK-3目标3：理解计算机控制系统的基本设计方法并能直接应用区分计算机控制系统的间接设计法和间接设计方法的概念，能够进行分类、对比和识别。理解并解释离散PID控制算法及其工程改进，能熟练完成SIS0系统的PID 参数整定。能够针对模型已知的系统完成计算机控制系统的直接设计，包含有纹波、无纹波最少拍和有限拍控制器设计。了解并能复述纯滞后对象的计算机控制设计方法(Dahlin控制算法，Smith控制算法)。以模糊控制为例，了解计算机控制系统中先进控制算法的基本原理与设计方法，能够在matlab上完成模糊PID控制的仿真 JK-4目标4：实现计算机控制系统的工程应用理解计算机控制系统的工程设计方法，能够按照既定步骤完成系统设计。理解、解释并能解决数字PD控制算法工程实现过程中的问题，对抗抗干扰技术有系统的认知，并能其解释系统控制的相关典型现象能够识别和解释计算机控制系统的输入通道、输出通道和人机接口技术的相关概念和结构特点，能够从现场总线控制系统的角度理解计算机控制系统的接口和通讯问题。了解并能复述现场总线技术的概念、相关技术基础，以CW总线控制网络为案例理解多层级工厂自动化的原理和体系。 JK-5目标5：分析计算机控制系统的可持续发展分析计算机控制系统的发展沿革、现有技术水平和未来趋势，从环境保护和可持续发展的角度，理解并解释自动化领域工程实践的可持续性发展的影响因素，评价其可能对环境、社会发展造成的影响。 JK6目标6：建立科学世界观，以及符合社会主义道德要求的价值观

5 能够解释、推导和理解 S 平面、Z 平面和 W 平面之间的关系，熟练完成计算机控制系统的稳定性分析，会计算线性 MISO 系统的稳态误差，能够借助解析求解和仿真手段分析各类线性系统的时域动态特性。 JK-3 目标 3：理解计算机控制系统的基本设计方法并能直接应用区分计算机控制系统的间接设计法和间接设计方法的概念，能够进行分类、对比和识别。理解并解释离散 PID 控制算法及其工程改进，能熟练完成 SISO 系统的 PID 参数整定。能够针对模型已知的系统完成计算机控制系统的直接设计，包含有纹波、无纹波最少拍和有限拍控制器设计。了解并能复述纯滞后对象的计算机控制设计方法（Dahlin 控制算法，Smith 控制算法）。以模糊控制为例，了解计算机控制系统中先进控制算法的基本原理与设计方法，能够在 matlab 上完成模糊 PID 控制的仿真 JK-4 目标 4：实现计算机控制系统的工程应用理解计算机控制系统的工程设计方法，能够按照既定步骤完成系统设计。理解、解释并能解决数字 PID 控制算法工程实现过程中的问题，对抗抗干扰技术有系统的认知，并能其解释系统控制的相关典型现象。能够识别和解释计算机控制系统的输入通道、输出通道和人机接口技术的相关概念和结构特点，能够从现场总线控制系统的角度理解计算机控制系统的接口和通讯问题。了解并能复述现场总线技术的概念、相关技术基础，以 CAN 总线控制网络为案例理解多层级工厂自动化的原理和体系。 JK-5 目标 5：分析计算机控制系统的可持续发展分析计算机控制系统的发展沿革、现有技术水平和未来趋势，从环境保护和可持续发展的角度，理解并解释自动化领域工程实践的可持续性发展的影响因素，评价其可能对环境、社会发展造成的影响。 JK-6 目标 6：建立科学世界观，以及符合社会主义道德要求的价值观

.4计算机控制系统规律，以及我国计算机控制系统的发展历程。的形成和发展能够推导和解释时域采样定理，完成信号的恢复与重构。(1)数学模型建立：能够理解、分辨线性离散系统的采样、量化和保持过程，类比线性连续系统，通过计算得到不同结构离散系统的脉冲传递函数模型，包括环节串并联、开环与闭环系统、采样开关的不同第2章计算机控制系统的理位置、零阶保持器和采样周期的影响等；(2)模型转论基础化：能够使用变换、图表绘制等数学工具，实现线 2.1计算机控制信号性离散系统不同数学模型之间的转化：差分方程、脉中传递函数、动态结构图：(3)解释理解：能理解线K-2 6 性离散系统稳定的充要条件，进行不同方式的描述、方程 2.3脉冲传递函数解释和转化，并可以列举实例进行说明：能够从数学 2.4采样系密稳定性判别和稳态误差模型和物理现象的不同角度理解和解释系统结构参数与性能指标之间的关系：(4)方法应用和数学计算：能够运用特征方程求根、J加ly判据、双线性变换等方法进行系统稳定性判别：能够正确使用终值定理和静态误差系数法计算稳态误差，熟练计算单输入系统的稳态误差。理解并分辨计算机控制系统的间接设计法和直接设计第3章法：能完成系统离散化理解、解释并正确应用PID控计算机控制系统的设计方法制算法的离散化方式，其工程改进形式，包括：位置型算式和增量型算式，抗积分饱和、测量值微分等形 3.1数字控制器的间接设计 3.2PID控制算法及其能够针对模型已知的系统完成计算机控制系统的直接 JK-31010 改进形式 3.3数字控制器的直设计，包含有纹波和无纹波最少拍、有限拍控制器设接设计方法计：了解计算机控制系统先进控制算法中的模糊控制 3.4先进控制算法模糊控制的原理与设计方法，能够在MATLAB上完成模糊PID 制的仿真

7 1.4 计算机控制系统的形成和发展规律，以及我国计算机控制系统的发展历程。第 2 章计算机控制系统的理论基础 2.1 计算机控制信号分析 2.2 Z变换及系统差分方程 2.3 脉冲传递函数 2.4 采样系统稳定性判别和稳态误差能够推导和解释时域采样定理，完成信号的恢复与重构。（1）数学模型建立：能够理解、分辨线性离散系统的采样、量化和保持过程，类比线性连续系统，通过计算得到不同结构离散系统的脉冲传递函数模型，包括环节串并联、开环与闭环系统、采样开关的不同位置、零阶保持器和采样周期的影响等；（2）模型转化：能够使用 Z 变换、图表绘制等数学工具，实现线性离散系统不同数学模型之间的转化：差分方程、脉冲传递函数、动态结构图；（3）解释理解：能理解线性离散系统稳定的充要条件，进行不同方式的描述、解释和转化，并可以列举实例进行说明；能够从数学模型和物理现象的不同角度理解和解释系统结构参数与性能指标之间的关系；（4）方法应用和数学计算：能够运用特征方程求根、July 判据、双线性变换等方法进行系统稳定性判别；能够正确使用终值定理和静态误差系数法计算稳态误差，熟练计算单输入系统的稳态误差。 JK-2 6 6 第 3 章计算机控制系统的设计方法 3.1 数字控制器的间接设计 3.2 PID控制算法及其改进形式 3.3 数字控制器的直接设计方法 3.4 先进控制算法- 模糊控制理解并分辨计算机控制系统的间接设计法和直接设计法；能完成系统离散化理解、解释并正确应用 PID 控制算法的离散化方式，其工程改进形式，包括：位置型算式和增量型算式，抗积分饱和、测量值微分等形式。能够针对模型已知的系统完成计算机控制系统的直接设计，包含有纹波和无纹波最少拍、有限拍控制器设计；了解计算机控制系统先进控制算法中的模糊控制的原理与设计方法，能够在 MATLAB 上完成模糊 PID 控制的仿真。 JK-3 10 10

8 第 4 章计算机控制系统的工程应用 4.1 PID控制算法的工程实现 4.2 过程控制输入输出通道 4.3 人机接口技术 4.4 抗干扰技术 4.5 计算机控制系统的工程设计 4.6 现场总线控制系统认识和分辨计算机控制系统输入通道、计算机控制系统输出通道；了解人机接口技术、抗干扰技术的内容并能直接应用解释相关现象。理解计算机控制系统的工程设计方法和步骤的特点和工程视角的解决方案。认识并理解现场总线控制系统，包括现场总线技术基础、总线系统典型结构 CAN 总线及其控制网络和工厂自动化的应用 JK-4 JK-6 6 6 学生课堂研讨环节计算机控制技术的可持续发展学生分组学习目前已有的计算机控制系统，了解目前常见的计算机控制系统的现有技术及其发展，从环境保护和可持续发展的角度，分析自动化领域工程实践的可持续性，并评价其可能对环境、社会造成的影响。 JK-5 JK-6 2 6 课程实验计算机控制基础、数字 PID 控制实验、二维模糊控制器实验三个必做实验，其它实验为选做 (1)在实验开始前能解释实验相关理论，在 MATLAB 上建立必要的仿真模型。在实验过程中正确使用实验设备，安全操作并正确记录数据；能合理解决实验中遇到的问题；对实验过程有反思的意识； (2)能够正确处理实验数据，按照需要绘制曲线；能用科学的原理方法分析实验结果，得到结论并进行合理的书面陈述。 JK-2 JK-3 6 6 4 课堂教学设计和实施载体课程目标知识单元学习场景/教学模式实施载体章节/目 JK-1 JK-6 第 1 章自控系统基本概念 1.1 计算机控制系统的概念案例引导、课堂讲授讲义教案 1.2 计算机控制系统的组成课堂讲授讲义教案 1.3 计算机控制系统的类型举例总结、课堂讲授图片认知，讲义教案

课堂讲授、归纳总结，以我国计算机 1.4计算机控制系统的形成和发展控制系统发展历程中技术受限的讲义教案子让学生意识到计算机控制系统对社会主义建设的重要性。第2章计算机控制系统的理论基 2.1计算机控制信号分析课堂讲授、引导归钠讲义教案 JK-2 2.2Z变换及系统差分方程案例引导、翻转课堂进义教率、习题解析 JK-62.3脉冲传递函数案例引导、演绎总结进义教案、习题解析 2.4采样系统稳定性判别和稳态误讲义教案、习题解析、随翻转课堂、讨论练习堂练习第3章计算机控制系统的设计方法课堂讲授、理论讲解讲义教案、习趣解析 3.1数字控制器的间接设计 JK-3 JK-6 3.2PID控制算法及其改进形式翻转课堂、课堂讲投讲义教案 3.3数字控制器的直接设计方法课堂讲授讲义数案 3.4先进控制算法-模糊控制课堂讲授、应用举例讲义教案第4章计算机控制系统的工程应用翻转课堂、课堂讲授讲义教案 4.1PID控制算法的工程实现 4.2过程控制输入输出通道课堂讲授、应用举例讲义数案 4.3人机接口技术课堂讲授、应用举例讲义教案 4.4抗干扰技术课堂讲授讲义教案 4.5计算机控制系统的工程设计课堂讲授讲义教案 4.6现场总线控制系统课堂讲授讲义教案学生课堂研讨环节课前学生分组，每组学习一种常见的 JK-5 控制系统课堂中依次由每名学生进行该控制学生准备的ppt 计算机控制技术的可持续发展系统的pmt讲解 5课堂实验教学本课程建议完成以下实验，其中必做3个，选做1个。 5.1实验名称和安排序号实验名称实验类型课程目标学时备注 1 计算机控制基础验证性 JK-2 2 选做、实物系统实验 2 数字PID控制实验设计性 JK-3 2 必做、实物系统+仿真实二维模糊控制器实验设计性 JK-3 必做、仿真实验

9 1.4 计算机控制系统的形成和发展课堂讲授、归纳总结，以我国计算机控制系统发展历程中技术受限的例子让学生意识到计算机控制系统对社会主义建设的重要性。讲义教案 JK-2 JK-6 第 2 章计算机控制系统的理论基础 2.1 计算机控制信号分析课堂讲授、引导归纳讲义教案 2.2 Z 变换及系统差分方程案例引导、翻转课堂讲义教案、习题解析 2.3 脉冲传递函数案例引导、演绎总结讲义教案、习题解析 2.4 采样系统稳定性判别和稳态误差翻转课堂、讨论练习讲义教案、习题解析、随堂练习 JK-3 JK-6 第 3 章计算机控制系统的设计方法 3.1 数字控制器的间接设计课堂讲授、理论讲解讲义教案、习题解析 3.2 PID 控制算法及其改进形式翻转课堂、课堂讲授讲义教案 3.3 数字控制器的直接设计方法课堂讲授讲义教案 3.4 先进控制算法-模糊控制课堂讲授、应用举例讲义教案 JK-4 JK-6 第 4 章计算机控制系统的工程应用 4.1 PID 控制算法的工程实现翻转课堂、课堂讲授讲义教案 4.2 过程控制输入输出通道课堂讲授、应用举例讲义教案 4.3 人机接口技术课堂讲授、应用举例讲义教案 4.4 抗干扰技术课堂讲授讲义教案 4.5 计算机控制系统的工程设计课堂讲授讲义教案 4.6 现场总线控制系统课堂讲授讲义教案 JK-5 学生课堂研讨环节计算机控制技术的可持续发展课前学生分组，每组学习一种常见的控制系统课堂中依次由每名学生进行该控制系统的 ppt 讲解学生准备的 ppt 5 课堂实验教学本课程建议完成以下实验，其中必做 3 个，选做 1 个。 5.1 实验名称和安排序号实验名称实验类型课程目标学时备注 1 计算机控制基础验证性 JK-2 2 选做、实物系统实验 2 数字 PID 控制实验设计性 JK-3 2 必做、实物系统+仿真实验 3 二维模糊控制器实验设计性 JK-3 2 必做、仿真实验