青岛大学教案.docx
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青岛大学教案
青岛大学教案
学院：
自动化工程学院
教研室：
控制系
课程名称：
微型计算机控制技术
任课教师：
丁军航
青岛大学教务处制
1.课程性质：
该课程是青岛大学自动化专业、电气工程及其自动化专业的主干专业课程，也是电子信息工程、计算机应用等专业的选修课，理论性、应用性、实践性和综合性强。
2.学习目的和要求
目的:
通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的理论与技术，受到较好的工程实践基本训练，具有分析、设计、开发和研究计算机控制系统的基本能力。
要求:
（1）了解计算机控制系统的组成、接口和过程通道设计的基本知识；
（2）掌握数字程序控制的基本原理和程序编制；
（3）掌握常规及复杂控制策略、应用程序设计与实现技术；
（4）学会计算机控制系统的硬件、软件设计与研制方法；
（5）初步了解分散型测控网络技术和现场总线技术。
3.选用教材与课程地位
（1）本课程选用的教材，由本课程组编写，是国家级“十一五”规划教材，由机械工业出版社2007年6月出版
（2）本课程曾选用的教材，也由本课程组编写，2002年获全国高等学校优秀教材二等奖。
由清华大学出版社出版，先后印刷21次，发行量近12万册，被许多高校选作教材，在国内产生了很大影响。
（2）本课程于2004年被评为山东省精品课程。
4.内容简介
全书共分9章。
第1章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型型式、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2章讨论了计算机控制系统的硬件设计技术；第3章讨论了数字控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理、多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术；第4章讨论了常规及复杂控制技术，主要介绍了数字控制器的各种控制算法；第5章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第6章讨论了先进控制技术，重点介绍了模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术；第7章计算机控制系统的软件设计技术；第8章讨论了分布式测控网络技术；第9章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。
书中配有习题可供选用。
全书内容丰富，体系新颖，理论联系实际，系统性和实践性强。
青岛大学教案（理论教学用）
第1次课3学时
章节
1.1计算机控制系统概述
1.2工业控制机的组成结构及特点
讲授主要内容
计算机控制系统的工作原理；实时，在线，离线的含义
计算机控制系统的五种典型形式
控制系统的总线结构：
内部总线和外部总线
重点
难点
1.关于实时系统的理解
实时指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，这里输入、计算、输出实际是指计算机控制系统的三个步骤；另外，一定的时间范围则是指本次采样的计算结果输出需在下一个采样时刻到来之前完成，针对不同的系统，该时间范围肯定是有区别的。
2.区分内部总线与外部总线
内部总线是指计算机内部模块之间的通讯；而外部总线是指计算机与外部设备之间的通讯。
要求掌握知识点和分析方法
1.计算机控制系统的定义，以及实时、在线、离线的含义，进行课堂讨论和举例
2.计算机控制系统的五种典型形式，并分析各种形式的优缺点，对结构框图进行分析
3.工业控制机的组成和总线结构
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到原理图，结构框图皆投影可得，减少了课上绘图所需时间。
不需要设计板书。
1.依据计算机控制系统原理图（图1.1）和组成框图（图1.2），说明：
计算机控制系统由工业控制机和生产过程两部分组成；在本质上，将计算机控制系统的工作原理归纳为三个步骤：
实时数据采集、实时控制决策以及实时控制输出。
采用比较和提问的方式，理解在线，离线和实时的含义。
2.针对五种计算机控制系统的典型形式，给出相应的系统框图，指出实现自动控制的过程，并且给出每种典型形式各自的优缺点。
3.了解工业控制机的组成和总线结构，并重点分析外部总线：
RS-232C串行通讯总线与IEEE-488并行通讯总线。
4.让学生了解学科的发展概况、发展方向以及发展趋势是专业课教育的必要所在，因此，对于这部分内容，不但在课上带学生一块熟悉教材内容，同时，给学生指出相应的参考书籍、期刊和网站，鼓励学生对专业知识做进一步的探讨。
作业布置
1.1，1.2，1.4
补充作业：
将所阅读的参考书籍、期刊和网站的部分内容进行总结，写出自己对该课程或者学科发展的认识。
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
《微型计算机控制技术》，谢剑英，国防工业出版社
《工业过程控制工程》，王树青，化学工业出版社
备注
青岛大学教案（理论教学用）
第2次课3学时
章节
2.1总线技术
讲授主要内容
总线的定义、层次结构及种类
串行外部总线简介
总线扩展技术
基于ISA总线端口扩展
重点
难点
1.总线的定义
2.总线扩展技术
3.基于ISA总线端口扩展
要求掌握知识点和分析方法
1.总线的定义
2.总线扩展技术
3.基于ISA总线端口扩展
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到电路图皆投影而得，减少了课上绘图所需时间。
不需要设计板书。
该部分内容与《微型计算机接口技术及应用》有相似之处，故接口电路分析较为容易，学生容易接受和理解。
难点在于输入调理电路和输出驱动电路。
通过图2.4，2.5和图2.7，2.8进行详细的分析，尤其重视分析电路中各部分器件的作用。
A/D转换器及其接口技术，属于《微型计算机接口技术及应用》数据采集卡内容，重点在于与PC总线的连接电路，以及相应的控制转换和数据读取程序。
在分析芯片ADC0809与ADC574A之后，即可由接口电路图的连接方式，写出相应程序。
教材中所给程序为8086汇编语言程序，鼓励学生将其写成C语言程序（参考第六章第一节，高级语言编程）。
作业布置
2.2，2.3，2.4
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
《微型计算机接口技术及应用》，刘乐善，华中科技大学出版社
《电力电子技术》，王兆安，机械工业出版社
备注
青岛大学教案（理论教学用）
第3次课3学时
章节
2.3模拟量输入通道
2.4D/A转换器及其接口技术
2.5模拟量输出通道
讲授主要内容
模拟量输入通道的组成
无源I/V变换电路与有源I/V变换电路
采样、量化及常用的采样保持器
模拟量输入通道设计
D/A转换器及其接口技术
V/I变换和自动/手动切换
模拟量输出通道设计
重点
难点
1.无源I/V变换电路与有源I/V变换电路
2.采样、量化及采样保持原理
3.模拟量输入通道设计及8通道数据采集程序设计
4.单极性与双极性电压输出电路
要求掌握知识点和分析方法
1.无源I/V变换电路与有源I/V变换电路，电路分析
2.模拟量输入通道设计及8通道数据采集程序设计，程序分析
3.D/A转换器及其与PC总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序分析
4.8通道模拟量输出电路设计，程序分析
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
本课程采用多媒体课件教学，能够提供较大的信息量，所有用到电路图皆投影而得，减少了课上绘图所需时间。
不需要设计板书。
①无源I/V变换电路与有源I/V变换电路，介绍教材中出现的两个电路，难度都不大，需要注意的是电路中各个元件的作用；
②采样的采样过程由教材图2.21描述，信号的采样频率由香农采样定理给出；量化及量化单位，量化误差描述了A/D转换器把模拟量转换为数字量的数学过程；采样保持器的作用是为了保证A/D转换期间输入恒定。
③模拟量输入通道设计原理图由图2.25给出，在分析该模板采集一个数据的四步过程以后，写出8通道数据采集汇编语言程序。
④简单分析D/A转换器及其与PC总线工业控制机接口技术，接口电路与工作时序，以此为基础，设计模拟量输出通道。
⑤强化单极性与双极性电压输出电路分析，做出更详细的电路图。
⑥该部分内容与《微型计算机接口技术及应用》有相似之处，故接口电路分析较为容易，学生容易接受和理解。
教材中所给程序为8086汇编语言程序，同样鼓励学生将其写成C语言程序（参考第六章）。
作业布置
2.5，2.6，2.10，2.12
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
《微型计算机接口技术及应用》，刘乐善，华中科技大学出版社
备注
青岛大学教案（理论教学用）
第4次课3学时
章节
2.6硬件抗干扰技术
讲授主要内容
串模干扰及其抑制方法
共模干扰及其抑制方法
长线传输干扰及其抑制方法
CPU抗干扰技术
接地技术
重点
难点
1.共模干扰及其抑制方法
2.长线传输干扰与匹配电阻
3.CPU抗干扰技术
要求掌握知识点和分析方法
1.共模干扰及其抑制方法
2.长线传输干扰与匹配电阻
3.CPU抗干扰技术
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
1.首先阐述干扰的含义和来源，描述干扰的危害。
以作过的实际项目在现场碰到的各种问题，指出未考虑干扰所引起的后果以及需要注意的方面（比如电源、接地、模拟量输入、数字量的输入输出隔离、串行通信接口等）
2.串模干扰：
所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。
串模干扰的抑制方法应从干扰信号的特性和来源入手，分别对不同情况采取相应的措施。
3.共模干扰：
所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。
通过分析被测信号的输入方式，来指出共模干扰的引入和抗共模干扰能力。
共模干扰的抑制方法有①变压器隔离、②光电隔离、③浮地屏蔽、④采用仪表放大器提高共模抑制比。
4.长线传输干扰与匹配电阻
信号在长线中传输遇到三个问题：
一是长线传输易受到外界干扰，二是具有信号延时，三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。
采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。
①终端匹配②始端匹配
5.CPU抗干扰技术：
计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用Watchdog（俗称看门狗）、电源监控（掉电检测及保护）、复位等方法。
微处理器监控电路MAX1232具有
（1）电源监控、
（2）按钮复位输入、（3）监控定时器（Watchdog）功能。
6.接地技术：
分析地线系统，由图2.55描述回流法接地。
分析在计算机控制系统中的低频接地技术。
作业布置
2.14，2.15
主要
参考资料
单片机系统的硬件抗干扰技术,杨秀敏,微处理机,1996/04
智能仪器的抗干扰技术,高辉,工业仪表与自动化装置,2000/04
微机测控系统中几种抗干扰技术,罗文广,测控技术,1997/06
工业控制计算机的抗干扰技术,陈勇,工业控制计算机,1996/05
青岛大学教案（理论教学用）
第5次课3学时
章节
3.1数字程序控制基础
3.2逐点比较法插补原理
讲授主要内容
数字程序控制原理
数字程序控制方式
逐点比较法直线插补
逐点比较法圆弧插补
重点
难点
1.数字程序控制原理
2.逐点比较法直线插补
3.逐点比较法圆弧插补
要求掌握知识点和分析方法
1.数字程序控制原理，利用平面图形的重现，来分析程序控制原理；
2.逐点比较法直线插补
3.逐点比较法圆弧插补
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
所谓数字程序控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。
首先分析图3．1所示的平面图形，利用计算机在绘图仪上重现，来简要说明数字程序控制的基本原理，以及脉冲当量（步长）的含义。
所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。
由第一象限直线表达式，推倒出相应的偏差计算公式，并给出偏差判别公式Fm＝ymxe-xmye，由FM的值，判断相应的进给方向。
利用教材上的例题，演示直线插补的过程，规定好必要的步骤。
根据直线插补的程序流程，写出插补的程序。
讲完以上内容以后，第二节课大约还有20分钟时间，修改例题（比如改为第二象限），让学生当堂完成，可以查书，可以讨论。
理解插补原理。
逐点比较法圆弧插补较逐点比较法直线插补要麻烦许多。
但是整个的分析过程还是有很多的相似之处。
不同点在于，当计算偏差判别公式Fm的值的时候，需要计算和保存动点坐标。
而且，圆弧即使在一个象限，还存在逆弧和顺弧的差异。
分析教材例题，说明圆弧插补的过程。
根据圆弧插补的程序流程，写出插补的程序。
作业布置
3.2，3.4，3.5
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
《数字控制技术》，叶蓓华，清华大学出版社
计算机数字控制技术在机床改造中的应用,王德洪,文教资料,2005/23
加工中心数控系统的经济型设计与实践,王文熙,青岛大学学报（工程技术版）,2001/02
备注
青岛大学教案（理论教学用）
第6次课3学时
章节
3.步进电机控制技术
讲授主要内容
步进电机的工作原理
步进电机的工作方式
步进电机控制接口及输出字表
步进电机控制程序
重点
难点
1.步进电机的工作原理
2.步进电机控制程序
要求掌握知识点和分析方法
1.步进电机的工作原理
2.步进电机的工作方式
3.步进电机控制接口及输出字表
4.步进电机控制程序
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模（D／A）转换器。
常采用步进电机作为驱动元件。
步进电机控制线路接收计算机发来的指令脉冲，控制步进电机作相应地转动，驱动工作台或刀具。
指令脉冲总数决定数控系统总移动量，指令脉冲的频率决定移动速度。
⑴步进电机的工作就是步进转动。
电源采用单极性的直流电源。
对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电步,使进电机转动。
要特别说明，该处的“相”指的是定子的对数。
步进电机的步进过程可以用图3.14来说明。
另外，对于单三相工作方式下的步进过程，在多媒体课件中，用图形的形式描述了转子的转动过程，使学生更直观的认识齿距角和步距角的含义。
⑵步进电机可工作于单相通电方式，也可工作于双相通电方式和单相、双相交叉通电方式。
选用不同的工作方式，可使步进电机具有不同的工作性能，如减小步距，提高定位精度和工作稳定性等。
对于三相步进电机则有单相三拍（简称单三拍）方式、双相三拍（简称双三拍）方式、三相六拍工作方式。
依据电压波形，做出说明。
⑶微机控制取代脉冲分配器，同时用微机实现对步进电机的走步数、转向以及速度控制等。
通过8255A并行接口芯片，做出如图3.18所示的接口示意图，设定好绕组通断电的输出值以后，即可根据工作方式，做出输出字表。
⑷步进电机的走步控制程序包括输出步数控制、转动方向控制以及速度控制，当某种特定方式下的输出字表确定以后，该部分内容就相应的变为计数、字表输出顺序和两次输出字之间的时间间隔问题，画出程序流程图，程序设计较容易。
作业布置
3.6，3.7
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
单片机在步进电机控制中的应用,陆阳,铁道机车车辆,1995/02
步进电机模糊控制技术的研究,高向东,微特电机,1999/03
基于DSP的步进电机控制系统设计,李为民,微特电机,2001/03
青岛大学教案（理论教学用）
第7次课3学时
章节
4.1数字控制器的连续化设计技术
讲授主要内容
数字控制器的连续化设计步骤
数字PID控制器的设计
数字PID控制器的改进
重点
难点
1.将D（S）离散化为D（Z）
2.数字PID控制器的改进
要求掌握知识点和分析方法
1.将D（S）离散化为D（Z）
2.数字PID位置型控制算法和数字PID增量型控制算法
3.数字PID控制器的改进
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
数字控制器的连续化设计步骤首先是利用自动控制原理学过的知识（频率特性法、根轨迹法等）设计出假想的连续控制器D（S），选择好采样周期T，即可将D（S）离散化为D（Z），对于双线性变换、前向差分、后向差分都要从级数展开和数值积分定义来分析，而且使用双线性变换，一个稳定的连续控制系统在变换之后仍将是稳定的，可是使用前向差分法，就可能把它变换为一个不稳定的离散控制系统（要求学生根据在自动控制原理课中所学知识，给出证明）。
在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。
当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。
有两种型式：
数字PID位置型控制算法和数字PID增量型控制算法，做出比较。
数字PID控制器的改进是非常重要的内容，包括：
积分项的改进
（1）积分分离
（2）抗积分饱和（3）梯形积分（4）消除积分不灵敏区
微分项的改进
（1）不完全微分PID控制算法
（2）微分先行PID控制算式
只有发挥计算机运算速度快、逻辑判断功能强、编程灵活等优势，才能在控制性能上超过模拟调节器。
而对于积分项和微分项的改进，正是为了更合理的应用PID控制技术。
针对梯形积分、消除积分不灵敏区、不完全微分，可以从数学表达式上看出改进后的效果。
作业布置
4.2，4.3，4.4，4.5
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
实用PID的几种改进方法,付冬梅,自动化博览,1997/01
基于积分分离的PID位置控制器的设计,胡科峰,机床与液压,2004/05
备注
青岛大学教案（理论教学用）
第8次课3学时
章节
4.1数字控制器的连续化设计技术——数字PID控制器的参数整定
4.2数字控制器的离散化设计技术
讲授主要内容
1.数字PID控制器的参数整定
2.数字控制器的离散化设计步骤
3.最少拍控制器的设计
重点
难点
1.数字PID控制器的参数整定
2.最少拍控制的定义
3.最少拍控制器的设计及最少拍控制器的基本形式
要求掌握知识点和分析方法
1.数字PID控制器的参数整定
2.广义对象的定义——包括零阶保持器与被控过程。
3.误差脉冲传递函数——误差信号的Z变换除以输入函数的Z变换
4.最少拍控制器的设计及最少拍控制器的基本形式——数学推导
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
PID控制器性能的好坏，控制效果的优劣跟PID控制器的参数选择有直接的关系。
对于连续控制器进行离散化，最重要的一点就是要求采样周期要相当小，因此，对于数字控制器，首要一点是根据影响因素选择合适的采样周期T。
PID控制器在使用过程中，另有KP，TI，TD三个参数需要整定。
简易工程整定法是由经典的频率法简化而来的，虽然稍微粗糙一点，但是简单易行，适于现场应用。
凑试法更多的应用于仿真实验当中，要求对P、I、D三部分的参数有深刻的理解。
由于控制任务的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论（采样控制理论）来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法。
所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数具有以下形式
根据z变换的终值定理，得到系统的稳态误差的表达式，针对典型输入函数的Z变换表达式
，得到Ф（z）=1-（1-z-1）q，最少拍控制器D（z）为
通过对典型输入下的最少拍控制系统分析，得到最少拍控制器的局限性：
（1）针对一种典型的输入函数R（z）设计，得到系统的闭环脉冲传递函数Ф（z），用于次数较低的输入函数R（z）时，系统将出现较大的超调，响应时间也会增加，但在采样时刻的误差为零。
反之，当一种典型的最少拍特性用于次数较高的输入函数时，输出将不能完全跟踪输入以致产生稳态误差。
由此可见，一种典型的最少拍闭环脉冲传递函数Ф（z）只适应一种特定的输入而不能适应于各种输入。
（2）只有当G（z）是稳定的（即在z平面单位圆上和圆外没有极点），且不含有纯滞后环节时，式Ф（z）=1-（1-z-1）q才成立。
如果G（z）不满足稳定条件，则需对设计原则作相应的限制。
在单位圆外或圆上D（z）和G（z）不能对消零极点，但并不意味含有这种现象的系统不能补偿成稳定的系统，只是在选择Ф（z）时必须加一个约束条件，这个约束条件称为稳定性条件。
作业布置
4.6，4.7，4.8
主要
参考资料
《微型计算机控制技术》（教材），于海生，清华大学出版社
《计算机控制理论及应用》，孙增圻，清华大学出版社
数字控制器离散设计的新探讨,刘玉文,甘肃广播电视大学学报,1998/02
备注
青岛大学教案（理论教学用）
第9次课3学时
章节
4.2数字控制器的离散化设计技术——有纹波和无纹波控制器
4.3纯滞后控制技术——史密斯（Smith）预估控制
讲授主要内容
最少拍有纹波控制器的设计
最少拍无纹波控制器的设计
史密斯（Smith）预估控制
重点
难点
1.最少拍有纹波控制器的设计方法、步骤和举例分析
2.最少拍无纹波控制器的设计的必要条件分析
3.史密斯（Smith）预估控制数字化分析
要求掌握知识点和分析方法
1.最少拍有纹波控制器的设计方法、步骤和举例分析
2.最少拍无纹波控制器的设计
3.史密斯（Smith）预估控制
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
1.
设G'（z）是G（z）中不含单位圆上或圆外的零极点部分，这样，在分析对该控制对象设计最少拍控制器时，为了避免使G（z）在单位圆外或圆上的零点、极点与D（z）的零点、极点对消，同时又能实现对系统的补偿，选择系统的闭环脉冲传递函数时必须满足下面的约束条件：
（1）Фe（z）的零点中，必须包含G（z）在z平面单位圆外或圆上的所有极点，即
（2）Ф（z）的零点中，必须包含G（z）在z平面单位圆外或圆上的所有零点，即
以上的计算公式中，还需要确定F1（z）=1+f11z-1+f12z-2+…+f1mz-m和F2（z）=f21z-1+f22z-2+…+f2nz-n以及相应的阶数m，n确定。
根据此约束条件，可求得最少拍控制器为
根据教材例4.1，熟悉整个设计和计算过程。
仅根据上述约束条件设计的最少拍
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