《机电系统计算机控制及辅助设计》课程教学大纲
课程编号：75081225 总学时：40学时， 实验：8学时，课外上机：16学时，学分： 2.5学分
先修课程：信号与系统、数字电路、微机原理、工程控制基础
大纲撰写人：熊静琪
一、课程性质和任务；
本课程是机电控制及自动化、机电一体化、机械电子工程专业的一门专业基础课，设置该课程的目的，旨在使学生通过本课程的学习，掌握计算机控制技术方面的基本知识、基本分析及设计方法，培养学生分析和设计控制系统的能力，为实际应用打下坚实的理论基础。
二、课程内容和要求，主要知识点；
1．基本概念
了解本课程的研究对象及机电系统计算机控制技术的含义，控制系统的分类、组成及发展方向，课程内容及学习方法。
2．机电系统的数学模型：
掌握机电系统的简化结构框图，系统各组成环节的基本特性，机电系统传递函数及状态变量数学模型的建立方法，系统的几种典型非线性特性及对系统性能的影响。
3．连续时间系统与离散时间系统的转换：
离散时间信号的处理是计算机控制系统与其他控制系统的最根本区别之所在，连续时间系统与离散时间系统之间的选换也是组成计算机控制系统所必须解决的问题。本章从工作原理及实际应用两个方面介绍数字信号的转换过程、原理及方法。对本章的学习，学生应了解采样过程、采样保持器的特性及工作原理，A／D、D／A转换的工作原理及量化误差的概念。本部分的教学内容可根据学生对计算机的了解程度进行适当的调整。
4．线性离散时间系统的数学描述方法：
了解Z变换的定义、性质和定理，[Z]平面与[S]平面的—一映射关系，掌握Z变换及Z的反变换的计算方法，以及Z传递函数的计算方法。
5．离散时间系统性能分析
了解离散时间系统的几种主要性能指标，及其在离散时间域及频域的分析方法，系统的性能和系统结构参数的关系。
6．计算机控制系统的经典控制理论设计：
基于传递函数的计算机控制系统的设计方法是该门课程的学习重点。学生应着重掌握数字控制器的间接设计原理，数字PID法的两种不同控制算法的特点，时间最优控制系统的设计方法，掌握数字控制器采样频率的选择原则。
7．计算机控制系统的现代控制理论设计：
本部分着重介绍了基于离散状态空间模型对控制系统进行设计的几种方法。本部分内容可根据专业情况及学时安排进行增减。
8．其他现代数字控制方法简介
简要介绍如模糊控制、非线性控制等其它现代控制理论的基本概念。
9．计算机控制网络技术
本章以集散型控制系统、现场总线控制技术为例，介绍计算机控制网络技术的原理、结构及应用实例。
10．控制系统的计算机辅助设计、计算和数字仿真
以MATLAB为平台，介绍控制系统的计算机辅助设计及仿真的方法。
11．计算机控制系统的设计与实现：
介绍计算机控制系统在实际运用中应考虑的一些工程问题，如系统可靠性、可操作性、适应性以及干扰的抑制等，并通过几个典型实例介绍了计算机控制系统的整个设计过程及实现方法，教师可根据学生的实际情况进行选讲。
三、学时安排
总学时40学时，课堂讲授32，实验8学时，课外上机16学时。
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章次 |
教学内容 |
学时 |
自学学时 |
课外上机 |
教学方式 |
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第一章 |
机电系统计算机控制技术的含义，控制系统的分类、组成及发展方向 |
2 |
0 |
0 |
讲授 |
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第二章 |
机电系统的简化结构框图，机电系统传递函数及状态变量数学模型的建立方法，系统的典型非线性特性及对系统性能的影响 |
4 |
4 |
2 |
讲授 |
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第三章 |
采样过程、采样保持器的特性及工作原理，A／D、D／A转换的工作原理及量化误差的概念 |
6 |
4 |
0 |
讲授 |
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第四章 |
Z变换的定义、性质和定理，[Z]平面与[S]平面的映射， Z变换及Z的反变换的计算，Z传递函数的定义及计算 |
4 |
4 |
2 |
讲授 |
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第五章 |
离散时间系统的主要性能指标，及其在离散时间域及频域的分析方法，系统的性能和系统结构参数的关系 |
4 |
4 |
2 |
讲授 |
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第六章 |
数字控制器的间接设计原理，数字PID法，时间最优控制系统的设计，采样频率的选择 |
8 |
6 |
6 |
讲授 |
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第七章 |
基于离散状态空间模型的设计方法 |
0 |
6 |
0 |
自学 |
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第八章 |
简要介绍模糊控制、非线性控制等其它现代控制理论的基本概念 |
0 |
2 |
0 |
自学 |
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第九章 |
简要介绍计算机控制网络技术的原理、结构及应用实例 |
0 |
2 |
0 |
自学 |
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第十章 |
控制系统的计算机辅助设计及仿真的方法 |
0 |
0 |
4 |
自学 |
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第十一章 |
计算机控制系统的工程应用，典型实例介绍 |
4 |
2 |
0 |
讲授 |
四、实验、上机的项目名称、主要内容
1）实验：共计四个实验，每个实验2学时。实验内容如下：
典型环节特性研究
数据采集、复现与保持
平滑与数字滤波实验
积分分离式PID控制
最少拍控制系统设计
无纹波控制系统设计
二维高精度运动平台控制
智能机电系统分析与控制
其中二维高精度运动平台控制、智能机电系统分析与控制实验学时为4学时，可结合课程设计进行，具体实验内容教师可根据学生情况和教学条件选择的进行。
2）课外上机：共计16学时。上机内容安排如下：
系统数学模型的建立、转换；系统性能分析；控制系统设计及仿真。
五、教材
《计算机控制技术》熊静琪主编，北京：电子工业出版社，2003.6