【天津】08242计算机控制系统（实践）自学考试大纲

天津市高等教育自学考试课程考试大纲

课程名称：计算机控制系统（含实践）

课程代码：08241 08242

2024年1月启用

第一部分   课程性质与目标

一、课程性质与特点

本课程是高等教育自学考试电气工程及其自动化（专升本）专业的一门专业主干课程，属于工程技术类课程。本课程针对电气工程及其自动化专业的特点，以离散控制理论等知识为基础，结合自动控制理论、电子电路和复变函数等概念，以实际应用为导向，培养学生熟练的运算能力及进行科学分析、归纳和总结的能力，提高分析问题和解决问题的能力，从而为以后从事实际工作和科学研究奠定一定的基础。

二、课程目标与基本要求

设置本课程的目的是使学生了解计算机控制系统接口技术基本概念；掌握接口技术设计方法以及数字控制器设计理论和方法，并通过软件来模拟控制系统在实际中的应用的能力；同时使学生掌握计算机控制系统设计方法以及控制器的应用设计，通过对控制器的设计，达到最优控制的目标，使计算机控制系统高效稳定运行，提升其运行效率的设计能力。

学习本课程要求学生了解计算机控制系统构成原理及各组成部分的功能；熟悉计算机控制系统设计的一般方法；正确理解数据采集系统（滤波、线性化处理、标度变换、误差修正、越限报警等）的基本概念；掌握计算机控制系统的常用数值控制算法、数字PID控制算法、最小拍控制器、Smith控制器等设计方法，且能对一个实际对象给出具体实施方案。

三、与相关课程的联系与区别：

    本课程与电气工程及其自动化专业的其他基础与专业课程有密切的联系。它以《高等数学（工本）》、《单片机原理与接口技术》、《自动控制原理（本）》等课程为基础，又对《电气工程及其自动化（本科）毕业论文》等课程起补充配合作用。

第二部分   考核内容与考核目标

第一章  概述

一、学习目的与要求

本章介绍计算机控制系统的概念和组成，计算机控制系统的典型应用方式、以及计算机控制系统的发展概况和发展趋势。通过本章学习，了解计算机控制系统的基本概念；掌握计算机控制系统的组成，计算机控制系统的典型应用方式、以及计算机控制系统的发展概况和发展趋势；能够掌握根据计算机控制系统中的控制功能和控制目的为依据的计算机控制系统的分类、及其与一般模拟控制系统相比具有的优势。

二、考核知识点与考核目标    

（一）计算机控制系统的一般概念（次重点）

识记：闭环控制系统的组成部分。

理解：检测装置、比较元件、放大器、执行环节及控制器。

（二）计算机控制系统的组成（重点）

识记：计算机控制系统硬件组成部分。

理解：模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道。

（三）计算机控制系统的结构形式（一般）

识记：直接数字控制系统等6种计算机控制系统组成和工作特点。

理解：直接数字控制系统的工作过程。

（四）计算机控制系统的发展概况和发展趋势（一般）

识记：计算机控制系统的发展和控制理论发展的关系。

理解：计算机控制系统的发展趋势与信息技术发展的关系。

第二章 通道接口技术

一、学习目的与要求

本章介绍计算机和控制对象间的过程输入/输出通道。通过本章学习，了解微型计算机过程输入输出技术，以及接口技术的基本概念以及接口功能；主要掌握输入通道和输出通道等基本内容，并能够将接口技术应用到实际系统应用中。

二、考核知识点与考核目标    

（一）计算机对外围通道的控制（一般）

识记：输入/输出指令,接口的定义和并行接口的构成。

理解：接口的三种数据传输方式。

应用：中断和查询方式的实际应用。

（二）模拟量输出通道（次重点）

识记：D/A转化的工作原理和技术参数。

理解：1．D/A转化的工作原理。

2.多路开关。

3.采样保持器。

应用：DAC0832的应用。

（三）模拟量输入通道（次重点）

识记：A/D转化的工作原理和技术参数。

理解：1．A/D转化的工作原理。

• 可编程数据放大器。

应用：ADC0808的应用。

（四）数字量输入/输出通道（重点）

识记：数字量输入/输出通道的结构。

理解：数字量输入/输出通道各个组成部分的功能。

应用：直流电机的转速PWM控制。

第三章  数字PID控制器设计

一、学习目的与要求

本章介绍数字PID控制器设计方法。通过本章学习，了解 PID 控制器的定义，以及比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器的控制作用和特点；掌握应用试凑法、扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的 PID 参数整定步骤；掌握改进 PID 算法的基本原理和设计思路，使学生具备运用数字控制器的离散化设计思想和基本方法，实现在工业控制中设计和应用PID控制器的能力。

二、考核知识点与考核目标    

（一）数字PID算法（次重点）

识记：PID控制的P、I、D的物理意义以及控制作用。

理解：1．数字PID控制器的离散化过程。

• 掌握数字 PID 控制算法的位置式算法和增量式算法。

应用：数字PID算法控制流程图。

（二）数字PID控制器参数整定（次重点）

识记：根据香农定理，确定采样周期的原则。

理解：1.如何综合考量影响采样周期的各个因素，确定采样周期。

2.应用试凑法、扩充临界比例度法和扩充响应曲线法的 PID 参数整定步骤。

应用：实验试凑法和实验经验法确定PID控制参数。

（三）数字PID控制器的改进算法（重点）

识记：数字PID控制器算法改进的原因。

理解：１．积分分离PID算法、变速积分的PID算法以及遇限削弱积分法的算法改进依据和控制算式。

2．不完全微分算法的改进过程以及控制效果分析。

应用：带前馈补偿的PID控制器–复合控制算法的应用。

 

第四章  数字控制器的连续设计方法

一、学习目的与要求

本章介绍数字控制器的连续设计方法，用控制理论的方法，设计数字控制器，使控制系统满足一定的性能指标。通过本章学习，了解计算机控制系统的连续化设计基本思路和适用条件；掌握连续化设计方法的一般步骤，重点掌握零阶保持器对输出的影响：了解模拟控制器的离散化方法；重点掌握阶跃响应不变法、后向／前向差分变换法，达到具有灵活运用这些方法求解离散化的控制器的能力。

二、考核知识点与考核目标    

（一）使用连续化设计方法的条件（次重点）

识记：混合系统的组成和特点。

理解：1．混合系统等价为连续系统的约束条件。

• 掌握量化单位和采样周期两个约束条件。

应用：离散控制器近似连续控制器的的条件选择。

（二）连续化设计步骤（重点）

识记：将s域的方法设计校正装置D(s)，使用s域到z域的离散化方法求得离散传递函数D(z)。

理解：1.连续化设计的四个步骤：周期T选择、D(s)变换为D（z）、检验闭合特性、D（z）变为差分方程。

应用：离散后的控制系统的特性评估。

（三）D(s)的离散化方法（次重点）

识记：D(s)离散化方法的性能评价指标。

理解：阶跃响应不变法、后向／前向差分变换法。

应用：使用阶跃响应不变法、后向／前向差分变换法求解D（z）。

第五章  数字控制器的离散设计方法

一、学习目的与要求

本章介绍数字控制器的离散设计方法，以采样系统理论为基础，以z变换为工具，在离散域中直接设计数字控制器。通过本章学习，理解离散化设计的基本思路，掌握最少拍设计的定义，掌握在典型输入下，最少拍数字控制器的确定；了解最少拍系统的不足之处，设计广义最少拍控制器和无波纹最少拍控制器：掌握纯滞后对象的大林控制算法。达到具备数字控制器的离散化设计和应用能力。

二、考核知识点与考核目标    

（一）解析设计法（重点）

识记：1．解析设计法设计数字控制系统的准则。

2.代数方法求解D（z）控制器。

3.最少拍系统的定义和表达式。

4.最少拍控制系统的局限性。

5.最少拍系统波纹产生的原因以及消除的方法。

6.最少拍无波纹设计的要求。

理解：1.典型输入下最少拍系统的设计方法，以及各种典型输入下的最小拍系统。

2.最少拍控制器的物理上的可实现性和稳定性的要求。

3．最少拍快速有波纹系统设计的一般方法。

4.最少拍无波纹系统的设计。

应用：给定D(s),设计最少拍快速有波纹系统以及最少拍无波纹系统。

（二）纯滞后控制技术（次重点）

识记：纯滞后环节对系统的影响。

理解：1.Smith预估控制设计过程。

      2.具有纯滞后补偿的数字控制器。

应用：离散后的控制系统的特性评估。

第六章  计算机控制系统的电磁兼容性设计

一、学习目的与要求

本章介绍计算机控制系统的电磁兼容性设计，分析在设计中如何使干扰不引起工作错误情况下，设计抗干扰的办法。通过本章学习，了解电磁干扰的产生和形成的条件；掌握噪声的抑制技术，以及抗干扰措施。通过本章学习，通过电磁兼容性设计，使计算机控制系统在复杂的干扰环境下稳定可靠工作。

二、考核知识点与考核目标    

（一）电磁兼容性的概述（一般）

识记：1．电磁兼容性的定义以及三要素。

2.电磁干扰的产生和形成的条件。

理解：电磁兼容不等式评价。

（二）噪声源及其抑制（重点）

识记：噪声源的类型。

理解：噪声源屏蔽、接地、去耦以及隔离抑制的工作原理。

• 数字信号的传输（一般）

识记：串扰信号。

理解：防止串扰信号对数字信号传输影响。

• 抗干扰措施（一般）

识记：电源系统抗干扰措施。

理解：CPU抗干扰措施。

第七章  计算机控制系统的设计与实现

一、学习目的与要求

本章介绍计算机控制系统的设计原则、步骤和应用举例。通过本章学习，掌握微机控制系统设计步骤，其中包括硬件设计、软件设计。针对具体工程实际要求，设计完善的面向工程实际的微机控制系统。使学生具备根据实际系统的运行需求，设计完整的微机控制系统的能力。

二、考核知识点与考核目标    

（一）计算机控制系统的设计原则与步骤（一般）

识记：设计原则。

设计步骤。

（二）计算机控制系统的实现过程（重点）

识记：可行性论证。

理解：计算机控制系统的工程设计过程。

应用：机械臂控制系统。

第三部分   有关说明与实施要求

一、考核目标的能力层次表述

    本课程的能力考核目标共分为三个能力层次：“识记”、“理解”、“应用”。各能力层次为递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上，其含义是：

    识记：能够识别和记忆本课程中的有关名词、概念及规律的主要内容，并能够根据考核的不同要求，做出正确的表述、选择和判断。

    理解：能够领悟和理解本课程中有关概念及规律的内涵，全面把握基本概念、基本原理、基本方法，能掌握有关概念、原理、方法的区别与联系，并能够根据考核的不同要求，对问题进行逻辑推理和论证，做出正确的判断、解释和说明。

应用（包含简单应用和综合应用）：能在理解掌握的基础上，联系实际，运用接口技术和数字控制器设计的基本概念、基本原理、基本方法，应用学过的技能和知识点，分析和解决有关的理论问题和实际问题，设计一个完善的计算机控制系统，是最高层次的要求。

二、指定教材

指定教材为考生自学、社会助学和考试命题的依据。

指定教材：

《计算机控制系统》（第3版） 董宁 陈振编著 电子工业出版社 2017年2月

《计算机控制系统——分析、设计与实现技术》 李东升 朱文兴 高瑞编著 科学出版社 2017年12月

三、自学方法指导

1、自学时必须要认真阅读教材，开始阅读每一章之前，应先认真学习大纲中有关该章的考核知识点、自学要求以及对知识点的能力层次要求和考核要求。以便在阅读教材时做到心中有数，有的放矢。

2、使用教材时，应注意将精读与泛读相结合，应在泛读即通读的基础和掌握较全面的知识背景条件下，对考核知识点进行重点地逐段细读，逐句推敲，以求做到对基本概念深刻理解，对历史脉络彻底弄清，对基本理论牢固掌握。切忌在没有全面学习教材的情况下孤立地抓考核知识点，以免生吞活剥，不能真正地理解和灵活地运用。

3、在自学过程中，既要思考问题，也要做好阅读笔记，把教材中的基本概念术语、基本结构、工作原理、设计方法等融会贯通，归纳出知识要点，构建知识体系，   从而加深对问题的认知、理解和记忆。有利于突出重点，并涵盖全部课程内容，同时锻炼提高自己的自学能力。

4、在自学过程中，既要注重理论知识，也应重视实际运用能力的培养。如联系各种生产实际中的计算机控制系统实例，运用系统分析能力，从系统功能、运行原理、控制要求、控制性能等方面综合验证计算机控制系统在实践中的应用。要通过完成练习思考题、综合性分析题、项目方案设计，锻炼自己分析论证及书面表达的能力。

5、考生在自学过程中也可参考赖寿宏主编《微型计算机控制技术》（机械工业出版社，2005年7月）辅助学习、理解相关知识。

四、对社会助学的要求

1.社会助学者应根据本大纲规定的考试内容和考核目标，认真钻研自学考试指定教材，明确本课程与其他课程不同的特点和学习要求，对自学应考者进行切实有效的辅导，引导他们防止自学中的各种偏向，把握社会助学的正确导向。

2.要正确处理基础知识和应用能力的关系，努力引导自学应考者将识记、理解与应用联系起来，把基础知识和理论转化为应用能力，在全面辅导的基础上，着重培养和提高自学应考者的分析问题和解决问题的能力。

3.要正确处理重点、次重点和一般的关系。课程内容有重点、次重点和一般之分，但考试内容是全面的，而且三者之间是相互联系的，不是截然分开的。社会助学者应指导自学应考者全面系统地学习教材，掌握全部考试内容和考核知识点，在此基础上再突出重点。总之，要把重点学习同兼顾一般结合起来，切勿孤立地抓重点，把自学应考者引向猜题押题。

4．助学学时建议。本课程理论部分（课程代码08241）共6学分，助学建议不少于108学时，课程学时分配见下表，考生也可参考该表安排自学时间。

章次	课程内容	助学学时
第一章	概述	4
第二章	通道接口技术	20
第三章	数字PID控制器设计	20
第四章	数字控制器的连续设计方法	18
第五章	数字控制器的离散设计方法	24
第六章	计算机控制系统的电磁兼容性设计	12
第七章	计算机控制系统的设计与实现	10
总计		108

 

本课程实践部分（课程代码08242）共1学分，助学建议不少于18学时，课程学时分配见下表，考生也可参考该表安排自学时间。

实验编号	实验项目名称	实践学时
实验一	AD输入输出实验	3
实验二	DA输入输出实验	3
实验三	温度检测与控制实验	6
实验四	步进电机控制与接口实验	6
总计		18

五、关于命题考试的若干规定

1、本大纲各章所提到的内容和考核目标都是考试的内容。

2、试卷中对不同能力层次要求和试题所占的比例大致是：“识记”为30%，“理解”为35%，“应用”为35%。

3、试题难易程度要合理，可分为四档：易、较易、较难、难，这四档在每份试卷中所占比例依次为2：3：3：2左右。

4、每份试卷中，各类考核点所占比例约为：重点占65%，次重点占25%，一般占10%。

5、试题题型一般分为：单项选择题、填空题、名词解释题、简答题、论述题、计算题等。

6、考试采用闭卷笔试，考试时需携带没有任何存储功能的普通计算器。考试时间为150分钟，采用百分制评分，60分为及格。

• 题型示例（样题）

（一）单项选择题（本大题共■小题，每小题■分，共■分）

在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题卡” 上的相应字母涂黑。错涂、多涂或未涂均无分。

1.最小拍对应控制要素为（    ）。

   A、快速性       B、准确性     C、稳定性      D、可靠性

（二）填空题

1.PID中的           参数可以消除控制系统输入与输出的偏差。

（三）名词解释

1.电磁兼容。

（四）简答题

1.简叙I/O接口定义及功能。

（五）论述题

1. 1.最少拍控制系统在实际应用中的局限性。

（六）计算题

1.设最少拍随动系统如下图所示，采样周期T=1s，被控对象的传递函数，设输入为单位速度函数，试分析并回答下面问题：

• 构造有无波纹系统的闭环传递函数Φ(z)；
• 构造无波纹系统的闭环传递函数Φ(z)；

（3）设计最少拍有波纹系统的数字控制器D(z)；

（4）计算出（3）随动系统的输出C(z)，并画出波形图；

（5）计算出（3）数字控制器的输出U(z)，并画出波形图；

• 实践考核内容与实施要求

使学生了解计算机控制系统接口技术及其设计，掌握接口技设计方法以及数字控制器设计理论和方法、并通过软件来对控制系统进行模拟其在实际中的应用能力。

（一）实验1 AD输入输出实验

实验要求：

（1）理解AD芯片的工作原理。

（2）掌握AD输入输出接口电路设计。

（3）熟悉AD输入输出的程序设计。

实验内容：

（1）输入输出接口电路设计。

（2）编写AD输入输出系统的工作程序。

（二）实验2 DA输入输出实验

实验要求：

（1）理解DA芯片的工作原理。

（2）掌握DA输入输出接口电路设计。

（3）熟悉DA输入输出的程序设计。

实验内容：

（1）输入输出接口电路设计。

（2）编写DA输入输出系统的工作程序。

（三）实验3  温度检测与控制实验

实验要求：

（1）掌握前向通道、后向通道的设备选型。

（2）掌握温度检测与控制电路设计。

（3）熟悉温度检测与控制的程序设计。

实验内容：

（1）温度检测与控制电路设计。

（2）编写温度检测与控制的工作程序。

（四）实验4  步进电机控制与接口实验

实验要求：

（1）掌握步进电机控制与接口电路设计。

（2）掌握数字PID控制器的设计。

（3）熟悉数字PID控制器的程序设计。

实验内容：

（1）步进电机控制与接口电路设计。

（2）编写步进电机控制与接口的工作程序。