高纲2024 江苏省高等教育自学考试大纲 27239 计算机控制系统大纲

高纲2024

江苏省高等教育自学考试大纲

27239 计算机控制系统

苏州大学编

江苏省高等教育自学考试委员会办公室

一、课程性质及其设置目的与要求

（一）课程性质和特点

《计算机控制系统》课程是我省高等教育自学考试现代电气工程及自动化专业（专接本）的一门重要的专业课程，其任务是培养应考者系统地学习计算机控制系统分析的基础知识，掌握计算机控制系统的分析方法，学习计算机控制系统的离散化设计方法和模拟化设计方法，初步掌握离散系统的状态空间分析方法，领会计算机控制系统设计与实现的方法。通过本课程的学习，建立其计算机控制系统分析的整体概念，掌握计算机控制系统设计的基本方法，初步具有开发计算机控制系统、解决工程实际问题的能力。

（二）本课程的基本要求

本课程共分为七章。在对计算机控制系统概念、组成、分类和信号的刺痒与恢复介绍的基础上，重点阐述了Z变换和Z传递函数、计算机控制系统的分析、计算机控制系统的离散化设计、计算机控制系统的模拟化设计、计算机控制系统的状态空间分析和计算机控制系统的设计与实现，通过对本书的学习，要求应考者对计算机控制系统的分析与设计有一个全面和正确的了解。具体应达到以下要求：

1、 了解计算机控制系统的概念、分类等。

2、 理解并掌握计算机控制系统的分析方法，包括信号的采样与恢复、Z变换及Z传递

函数、计算机控制系统的稳定性分析、离散系统的过渡响应分析等。

3、 理解和掌握计算机控制系统的离散化设计方法和模拟化设计方法，包括最少拍计算

机控制系统的设计、数字控制器的计算机实现、模拟控制器的离散化、数字PID控制及其算法改进、数字PID参数的整定等。

4、 掌握离散系统状态空间分析的基本方法，包括线性离散系统的状态方程、离散系统

的传递函数距阵与特征值、离散系统的稳定性判断、可控性与客观性的判断等。 5、 了解计算机控制系统设计与实现过程中的原则、步骤、输入输出通道和抗干扰技术

等

（三）本课程与相关课程的联系

《计算机控制系统》是电气工程及自动化专业的专业课程，与专业基础课程和其他专业课程如自动控制原理、微机原理与接口等关系密切，具有很强的应用背景。本课程的前修课程包括高等数学、线性代数、复变函数与积分变换、微机原理与接口、电子技术、自动控制原理、现代控制理论等，这些课程可以帮助更好的掌握计算机控制系统的原理、方法。

二、课程内容与考核目标

第一章 绪论

（一）课程内容

本章简要而全面地介绍了计算机控制系统的一般概念、计算机控制系统的组成、计算机控制系统的分类、计算机控制系统的特点，介绍了信号的采样与恢复，简单介绍了计算机制系统的发展趋势。

（二）学习要求

了解计算机控制系统的一般概念、计算机控制系统的组成、计算机控制系统的分类、计算机控制系统的特点，掌握了信号的采样与恢复，了解单介绍了计算机制系统的发展趋势。

（三）考核知识点和考核要求

1. 领会：计算机控制系统是将自动控制系统中的控制器的功能用数字计算机或者数字控制装置来实现而构成的；计算机控制较一般的模拟控制的优点。计算机控制中需要A/D转换器和D/A转换器。采样保持器是将数字序列恢复乘连续信号的装置。计算机控制中最广泛采用的是零阶保持器。初步了解计算机控制系统的发展趋势。

2、掌握：掌握自动控制系统一般分为开环控制系统和闭环控制系统两种基本的结构形式，掌握开环控制系统的 主要构成环节、系统的结构图，掌握闭环控制系统的 主要构成环节、系统的结构图。掌握计算机控制系统的概念，即计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类控制系统。掌握计算机控制系统的主要构成环节、系统的结构图；掌握计算机控制系统中计算机的作用主要体现在三个方面：（1）信息处理、（2）通过软件实现对控制系统的校正、（3）实现高级控制功能及多功能计算机调节。掌握计算机控制过程所包含的三个步骤：实时数据采集、实时决策、实时控制。掌握计算机控制系统是由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成，能通过框图表示计算机各个组成部分的相互关系，并掌握以上各个部分在计算机控制系统中的作用。掌握过程通道在计算机控制系统中的作用和过程通道的基本类型。掌握根据计算机控制系统中的控制功能和控制目的计算机控制系统的分类：计算机操作指导控制系统、直接数字控制系统（DDC）、监督计算机控制系统（SSC）、计算机分级控制系统、集散控制系统（DCS）等。掌握计算机操作指导控制系统的构成和特点，并能用框图表示计算机操作指导系统的结构组成。掌握直接数字控制系统的工作过程、构成和特点，并能用框图表示直接数字控制系统的结构组成。掌握什么是监督计算机控制系统、掌握计算机监督控制系统的两种不同的结构形式：SSC＋模拟控制器控制系统、SSC＋DDC控制器控制系统。掌握计算机控制系统与一般的模拟控制系统相比具有的5个优点。掌握典型的计算机控制系统的组成，能通过框图表示计算机控制系统的结构。掌握什么是采样过程，掌握采样开关是实现采样过程的关键。掌握香农（shannon）采样定理：要使采样信号能够不失真的回复原来的采样信号，必须正确选择采样频率，使?s?2?max。初步掌握采样周期选择的几个原则。掌握零阶保持

器的时域表示形式，会推导零阶保持器的传递函数。

第二章 Z变换及Z传递函数

（一）课程内容

本章介绍Z变换定义及常用函数Z变换、Z变换的性质和定理、Z反变换、线性定常离散系统的差分方程及其解、Z传递函数等。

（二）学习要求

通过本章学习要求掌握变换定义及常用函数Z变换、Z变换的部分性质、利用Z变换和Z反变换方法求解差分方程、Z传递函数的定义、Z传递函数与脉冲相应函数的关系、Z传递函数的求法、开环Z传递函数的求法，了解闭环Z传递函数。

（三）考核知识点和考核要求

1、 领会：Z变换的卷积定理、求和定理、位移定理、位移定理和微分定理。了解F(z)与f(t)之间不存在一一对应的关系。领会差分方程是描述线性定常离散系统的工具，差分方程是离散系统时域分析的基础，计算机控制系统本质是离散系统。闭环Z传递函数结构

形式的多样性，能够推导结构简单的离散系统的闭环Z传递函数。

2、 掌握：Z变换的定义。通过部分分数法计算Z变换的方法，能够通过部分分数法计算已知拉氏变换情况下的时域信号的Z传递函数。掌握Z传递函数的定义，掌握根据Z传递函数计算零初始条件下系统的输出采样信号的方法。掌握Z传递函数与脉冲相应函数的关系：系统的Z传递函数就是系统单位脉冲相应的采样值的Z变换。掌握根据控制系统的传递函数G(s)求Z传递函数的步骤，并会根据该步骤计算Z传递函数。

3、 熟练掌握：掌握通过级数求和法计算时间函数的Z变换的方法，能应用级数求和法计算单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位速度函数、指数函数和正弦信号的的Z变换。掌握Z变换的线性定理，并应用该定理求Z变换。掌握Z变换的滞后定理和超前定理。Z变换的初值定理和终值定理，并会应用初值定理和终值定理计算初值和终值。掌握串联环节之间没有采样开关存在时的Z传递函数的求法，掌握两个串联环节之间有同步采样开关存在时的传递函数的求法。掌握并联环节的Z传递函数的计算方法。掌握并会应用留数法计算Z反变换。会用Z变换和Z反变换方法求解差分方程。

第三章 计算机控制系统的分析

（一）课程内容

本章全面地介绍了离散系统的稳定性分析、离散系统的过渡响应分析、离散系统的稳态准确度分析。

（二）学习要求

通过本章学习要求了解S平面与Z平面的关系，掌握离散系统输出响应的一般形式，掌握Routh稳定性准则在离散系统的应用，离散系统的过渡响应分析、离散系统的稳态准确度分析方法。

（三）考核知识点和考核要求

1、 领会：S平面与Z平面的映射关系。判断过渡过程结束的标准。连续系统稳态误差计算的两种方法：在拉氏变换终值定理的基础上，求系统个终值误差；或者从系统的误差传递函数出发，求系统动态误差的稳态分量。线性定常离散系统的稳态误差不仅与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关，还与采样周期的选取有关。在单位阶跃输入下，对于O型系统存在稳态误差，对于I型或者I型以上的系统，不存在稳态误差。在单位速度输入下，对于O型或者I型系统存在稳态误差，对于II型或者II型以上的系统，不存在稳态误差。在单位速度输入下，O型或者I型系统不能承受单位加速度函数的作用，II型存在加速度稳态误差，对于III型或者III型以上的系统，不存在稳态误差。

2、 掌握：掌握应用W变换将Z平面映射到W平面得到W特征方程。会利用W变换和Routh准则来判定系统的稳定性。掌握离散系统的时间响应与各个极点时间响应的关系。掌握离散系统的Z传递函数与单位脉冲响应函数的关系。会推导单位负反馈离散系统的闭环误差Z传递函数，并根据此应用终值定理求稳态误差。掌握单位阶跃输入时的稳态误差的表示形式。掌握单位速度输入时的稳态误差的表示形式。掌握单位加速度输入时的稳态误差的表示形式。

3、 熟练掌握：掌握并应用离散系统稳定的充要条件：离散系统的闭环Z传递函数的全部极点（特征方程的根）必须在Z平面中的单位圆内。掌握控制系统的过渡过程的定义：一个控制系统在外信号作用下从原有稳定状态到新的稳定状态的整个动态过程。掌握在给定传递函数的基础上，计算系统在单位阶跃输入、单位速度输入、单位加速度输入下系统的稳

态误差。

第四章 计算机控制系统的离散化设计

（一）课程内容

本章全面地介绍了最少拍计算机控制系统的设计、无波纹最少拍最少拍计算机控制系统的设计、数字控制器的计算机程序实现。

（二）学习要求

通过本章学习要求掌握最少拍计算机控制系统的设计的基本问题和方法，了解无波纹最少拍最少拍计算机控制系统的设计，掌握数字控制器的计算机程序实现的方法。

（三）考核知识点和考核要求

1、 领会：最少拍系统又称为最少拍随动系统，是时间上的最优控制系统，系统的性能指标是系统的调节时间最短或者尽可能短。直接利用数字设计法设计最少拍控制系统应该考虑的四点问题。最少拍系统的不足之处。最少拍数字控制器对信号的输入形式的适应能力较差的问题。最少拍系统的波纹的含义以及对系统性能的影响。

2、 掌握：掌握最少拍设计的定义：系统在典型输入下，经过最少拍使系统输出的误差为零。掌握系统的闭环Z传递函数与系统的数字控制器传递函数和对象传递函数的关系，掌握在典型信号输入下系统的闭环Z传递函数应该具有的表达形式。掌握在典型输入下，最少拍数字控制器的确定。掌握在单位阶跃、单位速度输入时系统的误差输出及输出序列。

3、 熟练掌握：数字控制器计算机程序实现的三种方法：直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法，会应用这三种方法得到数字控制器的差分方程表达式。

第五章 计算机控制系统的模拟化设计

（一）课程内容

本章全面地介绍了计算机控制系统模拟化设计的基本问题、模拟控制器的离散化方法、数字PID控制、数字PID控制算法的改进、数字PID控制器的参数整定。

（二）学习要求

通过本章学习要求了解计算机控制系统模拟化设计的基本问题，掌握模拟控制器的离散化的冲击不变法、加零阶保持器的Z变换法、差分变换法，掌握PID控制的基本形式及数字化，数字PID控制算法，了解数字PID控制算法的改进的积分分离PID算法、不完全微分PID算法、带死区的PID算法，了解数字PID控制器的参数整定。

（三）考核知识点和考核要求

1、领会：计算机控制系统的模拟化设计中的基本问题：把计算机控制系统看作模拟系统，应用连续系统设计方法设计闭环控制系统的模拟控制器，然后在离散化方法得到数字控制器。模拟化设计方法的适用情况：采样周期足够小或者说对象的时间常数足够大。冲击不变法的特点及应用范围。掌握向后差分变换法的实质，向后差分变换法的特点。向前差分变换法的实质。PID控制为什么是过程控制中应用最普遍的控制规律。掌握增量式控制算法与位置式算法比较的优点。为何采用积分分离PID算法，了解采用积分分离PID算法的思想。知道采用积分分离PID控制算法能减少超调量。知道不完全微分PID算法实际上就是在PID控制器后串联一个低通滤波器来抑制高频干扰。知道带死区的PID算法适用于控制精度要求不太高的场合。带死区的PID控制实际上式非线性控制。

2. 掌握：掌握零阶保持器的传递函数。掌握模拟化设计方法的一般步骤。掌握冲击不变法的基本思想：数字滤波器产生的脉冲响应序列近似等于模拟滤波器的脉冲响应函数的采样值。会用冲击响应不变法设计数字滤波器。掌握加零阶保持器的Z变换法就是用零阶保持器与模拟控制器串联，然后进行Z变换离散化成数字控制器。掌握数字PID的位置式算法和数字PID控制器的Z传递函数。掌握比例调节器的控制作用特点、掌握比例积分调节器的控制作用特点、比例积分微分调节器的控制作用特点。掌握带死区的PID控制的思想：在计算机中人为的设置一个不灵敏区，当偏差进入不灵敏区域时，控制输出维持上次采样的输出，当偏差不在不灵敏区时，进行正常的PID运算后输出。数字PID系统设计的任务是选取合适的PID控制器参数使整个系统具有，满意的动态特性，并满足误差要求。掌握数字PID控制的比例系数对系统的动态特性和稳态性能的影响。掌握数字PID控制的积分时间对系统的动态特性和稳态性能的影响。掌握数字PID控制的微分时间对系统的动态特性和稳态性能的影响。掌握应用试凑法的PID参数整定步骤。掌握应用扩充临界比例度法整定数字PID参数的步骤。掌握扩充响应曲线法的应用步骤。

3. 熟练掌握：加零阶保持器法求解数字控制器。向后差分变换法由模拟控制器求数字控制器。会用向前差分变换法由模拟控制器求数字控制器。掌握PID控制器的含义：就是按照闭环系统的比例、积分和微分进行控制的调节器。掌握P是指比例、I是指积分、D是指微分。掌握模拟PID控制器的微分方程及其拉氏变换形式。掌握模拟PID控制器的传递函数。掌握数字PID控制算法的位置式算法。掌握数字PID控制算法的增量式算法。掌握数字PID的主要参数：比例系数、积分时间、微分时间、采样周期。

第六章 离散系统的状态空间分析法

（一）课程内容

本章全面地介绍了线性离散系统的状态方程、离散系统的传递函数距阵与特征值、线性离散系统的稳定性与可控性、可测性。

（二）学习要求

通过本章学习要求掌握由高阶差分方程求解状态方程的方法，掌握由Z传递函数求状态方程的方法，掌握离散系统的传递函数距阵与特征值，掌握线性离散系统的稳定性的判定，线性离散系统的可控性与可测性的判定。

（三）考核知识点和考核要求

1、 领会：线性定常系统的状态方程和输出方程的一般形式。知道特征方程的为特征值，也为系统的极点。

2、 掌握：掌握由不含输入函数的高阶差分的差分方程求解状态方程的方法。掌握离散系统的特征方程。掌握状态方程与传递函数距阵的关系。掌握系统状态完全可控的含义，掌握并应用线性离散系统的状态可控性的充要条件。掌握并应用线性离散系统的状态可控性的充要条件。

3、 熟练掌握：掌握并应用由并行程序法求状态方程的方法。掌握并应用由串行程序法求状态方程的方法。掌握离散系统的特征方程与状态空间表达式的关系，掌握并应用基于状态空间表达式的线性离散系统稳定的充要条件。

第七章 计算机控制系统设计与实现

（一）课程内容

本章全面地介绍了计算机控制系统设计原则、计算机控制系统的设计步骤、计算机控制系统输入输出通道设计、计算机控制系统抗干扰技术。

（二）学习要求

通过本章学习要求了解计算机控制系统设计原则，掌握计算机控制系统的设计步骤，了解过程输入输出通道的组成与功能，了解过程输入输出通道的控制方式，了解输入输出通道的组成及作用，了解计算机控制系统抗干扰技术。

（三）考核知识点和考核要求

1、 领会：计算机控制系统设计的基本要求：优良的操作性能，通用性好、便于扩充、可靠性高，实时性高、设计周期短、价格便宜。计算机控制系统的设计步骤。过程通道的种类和功能。过程输入输出通道与CPU交换信息的类型。CPU对过程通道的控制方式。干扰的定义。干扰的来源和抑制方法。

2、掌握：掌握模拟量输入通道的组成部分及各个部分的作用。掌握模拟量输出通道的主要任务。掌握模拟量输出通道的两种基本结构形式。

三、有关说明和实施要求

（一）关于“课程内容与考核目标”中有关提法的说明

在大纲的考核要求中，提出了“领会”、“掌握”、“熟练掌握”等三个能力层次的要求，它们的含义是：

1、领会：要求应考者能够记忆规定的有关知识点的主要内容，并能够林归和理解规定的有关知识点的内涵与外延，熟悉其内容要点和它们之间的区别与联系，并能根据考核的不同要求，作出正确的解释、说明和阐述。

2、掌握：要求应考者掌握有关的知识点，正确理解和记忆相关内容的原理、方法步骤等。

3、熟练掌握：要求应考者必须掌握的课程中的核心内容和重要知识点。 （二）自学教材

本课程使用教材为：《计算机控制技术》，姜学军主编，清华大学出版社，2005年版。 （三）自学方法的指导

本课程作为一门的专业课程，综合性强、内容多、难度大，应考者在自学过程中应该注意以下几点：

1、学习前，应仔细阅读课程大纲的第一部分，了解课程的性质、地位和任务，熟悉课程的基本要求以及本课程与有关课程的联系，使以后的学习紧紧围绕课程的基本要求。

2、在阅读某一章教材内容前，应先认真阅读大纲中该章的考核知识点、自学要求和考核要求，注意对各知识点的能力层次要求，以便在阅读教材时做到心中有数。

3、阅读教材时，应根据大纲要求，要逐段细读，逐句推敲，集中精力，吃透每个知识点。对基本概念必须深刻理解，基本原理必须牢固掌握，在阅读中遇到个别细节问题不清楚，在不影响继续学习的前提下，可暂时搁置。

4、学完教材的每一章节内容后，应认真完成教材中的习题和思考题，这一过程可有效地帮助自学者理解、消化和巩固所学的知识，增加分析问题、解决问题的能力。

（四）对社会助学的要求

1、应熟知考试大纲对课程所提出的总的要求和各章的知识点。 2、应掌握各知识点要求达到的层次，并深刻理解各知识点的考核要求。

3、对应考者进行辅导时，应以指定的教材为基础，以考试大纲为依据，不要随意增删内容，一面与考试大纲脱节。

4、辅导时应对应考者进行学习方法的指导，提倡应考者“认真阅读教材，刻苦钻研教材，主动提出问题，依靠自己学懂”的学习方法。

5、辅导时要注意基础、突出重点，要帮助应考者对课程内容建立一个整体的概念，对应考者提出的问题，应以启发引导为主。

6、注意对应考者能力的培养，特别是自学能力的培养，要引导应考者逐步学会独立学习，在自学过程中善于提出问题、分析问题、作出判断和解决问题。

7、要使应考者了解试题难易与能力层次高低两者不完全是一回事，在各个能力层次中都存在着不同难度的试题。

（五）关于命题和考试的若干规定

1、本大纲各章所提到的考核要求中，各条细目都是考试的内容，试题覆盖到章，适当突出重点章节，加大重点内容的覆盖密度。

2、试卷对不同能力层次要求的试题所占的比例大致是：“领会”20%，“掌握”40%，“熟练掌握”为40%。

3、试题难易程度要合理，可分为四档：易、较易、较难、难，这四档在各份试卷中所占的比例约为2：3：3：2。

4、本课程考试试卷可能采用的题型有：单项选择、填空、名词解释、简答题、计算题及问答题（包括论述题或综合题）等类型（见附录题型示例）。

5、考试方式为闭卷笔试，考试时间为150分钟。评分采用百分制，60分为及格。

附录 题型举例

一、 选择题

计算机只承担数据的采集和处理工作的计算机控制系统类型是（ ） （a） 直接数字控制系统 （b） 计算机操作知道控制系统 （c） 监督计算机控制系统 （d） 集散计算机控制系统 二、 名词解释 如：Z传递函数 三、 填空题

如：系统的Z传递函数就是系统 的采样值的Z变换。 四、 判断改错题

如：计算机控制系统中A/D的作用是将数字信号转换成模拟信号。（ ）

改正： 五、 简答题

如：根据计算机在控制系统中的控制功能和控制目的，计算机控制系统可以分成那些类型？ 六、 计算题

如：计算指数信号f(t)?e?at的Z变换。 七、 问答题或论述题

如：计算机控制系统主要有那些部分组成？各个部分的作用是什么？

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