东北大学

计算机控制系统

图片
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,包括基础性实验和研究型实验,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。
证书要求

单元作业占25%;

单元测试占25%

论坛占10%;

期末考试占40%;

按百分制计分,60分至84分为合格,85分至100分为优秀。


预备知识

自动控制原理,微型机原理,数字电子技术基础,计算机网络

授课大纲

东北大学本科生课程大纲

课程编号

C1301000120

课程名称

计算机控制系统

课程英文名称

Computer   Control System

总学时数

64

理论

学时

44

实验

学时

20

上机

学时

 

本课程负责人

关守平

 

4

开课单位

自动化研究所

适用专业

自动化、测控技术及仪器、电气自动化

考核方式

考试

先修课程

自动控制原理,微型机原理,数字电子技术基础,计算机网络

课程类型

 

学位课

 

选用教材

刘建昌、关守平、周玮主编.《计算机控制系统》(第二版).北京:科学出版社. 2016.8

主要教学

参考书

高金源, 夏洁. 计算机控制系统. 北京:清华大学出版社,2007.

课程简介

300-500字)

“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,包括基础性实验和研究型实验,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。

课程目标与毕业要求之间的关系

 

 




本课程与毕业要求中的研究能力、设计/开发解决方案能力关联程度高;与工程知识和问题分析能力关联程度中。

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。

教学方法及学时分配

教学内容

学时

教学方法

授课

上机

实验

计算机控制系统概述

4

 

 

基于案例,引出教学内容

信号转换与z变换

8

 

 

理论分析,与实际结合

计算机控制系统数学描述与性能分析

8

 

 

理论分析

数字控制器的模拟化设计方法

8

 

 

理论分析,与实际结合

数字控制器的直接设计方法

8

 

 

理论分析,与实际结合

基于状态空间模型极点配置设计方法

8

 

 

理论分析

计算机控制系统课程实验

 

 

20

实验讲解,问题讨论

课程的评价与持续改进机制

本课程为国家精品课程,国家精品资源共享课程,辽宁省精品资源共享课程,中国大学慕课建设课程;为本课程编写的教材“计算机控制系统”为国家十二五规划教材。

本课程以教材建设带动教学改革,以新型实验控制系统开发带动课程实验环节创新,真正做到理论与实际相结合;教学内容全面、完整,教学方法与手段与时俱进。在国内同类课程中特色鲜明,独树一帜。

20168月出版了教材的第二版,拟申请国家十三五规划教材;持续开发“功能一体化,结构网络化,场所便利化”的新型教学实验系统,撰写实验教学指导教材;建设慕课课程,完善精品资源共享课程。


















 


参考资料

刘建昌、关守平、周玮主编.《计算机控制系统》(第二版).北京:科学出版社. 2016.8

高金源, 夏洁. 计算机控制系统. 北京:清华大学出版社,2007.


常见问题

 

1. 什么是计算机控制系统?计算机控制系统较模拟系统有何优点?举例说明。

   解答:由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统,被称为计算机控制系统。与模拟系统相比,计算机控制系统具有设计和控制灵活,能实现集中监视和操作,能实现综合控制,可靠性高,抗干扰能力强等优点。例如,典型的电阻炉炉温计算机控制系统。炉温计算机控制系统工作过程如下:电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后,变成电信号(毫伏级),再经变送器变成标准信号(1-5V或4-20mA)从现场进入控制室;A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,与计算机内部的温度给定比较,得到偏差信号,该信号经过计算机内部的应用软件,即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量;控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制双向晶闸管对交流电压(220V)进行PWM调制,达到控制加热电阻两端电压的目的;电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小,从而调节炉温变化,最终达到计算机内部的给定温度。

计算机控制系统中,数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的,所以很容易实现多种控制算法,修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化,实现控制软件的反复、多次调用。计算机具有分时操作功能,可以监视几个或成十上百个的控制量,把生产过程的各个被控对象都管理起来,组成一个统一的控制系统,便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律,而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能,可以综合生产的各方面情况,在环境与参数变化时,能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制,必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预,这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中,可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能,使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面,计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的,程序代码存储于计算机中,一般情况下不会因外部干扰而改变,因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。计算机控制系统具有上述优点。

 

  2.  计算机控制系统由哪几部分组成?各部分的作用如何?

    解答:计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。

    被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号(1-5V或4-20mA);再A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机,计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量,再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量;控制信号模拟量作用于执行机构触发器,进而控制被控对象的物理量,实现控制要求。

 

       3.计算机控制系统涉及哪些理论问题?

    解答:

   (1信号变换问题

多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的,而计算机控制系统在结构上通常是由模拟与数字部件组成的混合系统。同时,计算机是串行工作的,必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号进行采样,将其变成时间上是断续的离散信号,并进而变成数字信号才能进入计算机;反之,从计算机输出的数字信号,也要经过D/A变换成模拟信号,才能将控制信号作用在被控对象之上。所以,计算机控制系统除有连续模拟信号外,还有离散模拟、离散数字等信号形式,是一种混合信号系统。这种系统结构和信号形式上的特点,使信号变换问题成为计算机控制系统特有的、必须面对和解决的问题。

   (2对象建模与性能分析

计算机控制系统虽然是由纯离散系统的计算机和纯连续系统的被控对象构成的混合系统,但是为了分析和设计方便,通常都是将其等效地化为离散系统来处理。对于离散系统,通常使用时域的差分方程、复数域的z变换和脉冲传递函数、频域的频率特性以及离散状态空间方程作为系统数学描述的基本工具。

   (3控制算法设计

在实际工程设计时,数字控制器有两种经典的设计方法,即模拟化设计方法和直接数字设计方法,它们基本上属于古典控制理论的范畴,适用于进行单输入、单输出线性离散系统的算法设计。以状态空间模型为基础的数字控制器的设计方法,属于现代控制理论的范畴,不仅适用于单输入、单输出系统的设计,而且适用于多输入、多输出系统设计,这些系统可以是线性的也可以是非线性的,可以是定常的也可以是时变的。

   (4控制系统仿真分析

在计算机控制系统设计完成后,常常需要校核系统的性能。如果不满足控制系统的要求,便需要重新修改设计。即使在控制系统设计过程中,有时为了研究信号的变化特性,对被控对象进行模型辨识和性能分析,以及研究系统参数(包括采样周期)变化对系统性能的影响等,也需要对控制系统进行相应指标的计算。校核或计算系统性能的一个直观的方法是对控制系统进行仿真,而这一工作常借助于MATLAB语言这一强大的控制系统仿真工具进行。

   (5控制系统实现技术

在计算机控制系统中,由于采用了数字控制器而会产生数值误差,因此存在这些误差的来源、产生的原因、对系统性能的影响、与数字控制器程序实现方法的关系及减小误差影响的方法,如A/D转换器的量化误差等问题;当计算机运算超过预先规定的字长时,必须作舍入或截断处理,因而产生乘法误差;系统因不能装入某系数的所有有效数位,因而产生系数设置误差,这些误差的传播,会极大地影响系统的控制精度和它的动态性能,因此计算机控制系统的工程设计是一项复杂的系统工程,涉及的领域比较广泛。