《微机测控技术》理论教学大纲.docx
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《微机测控技术》理论教学大纲
《微机测控技术》理论教学大纲
(2003年制订,2004年修订)
课程编号:
210164
英文名:
MicrocomputerMeasurement&ControlTechnology
课程类别:
专业选修课
前置课:
微机原理与接口技术
后置课:
学分:
4学分
课时:
68/72课时(其中理论课50/54课时,实验18课时)
主讲教师:
李耀等
指定教材:
潘新民,王燕芳.《微型计算机控制技术》.北京:
高等教育出版社,2001.
课程概述:
本课程是面向计算机专业的一门专业选修课。
该课程是从事自动化、控制系统工程、计算机应用技术人员应该掌握的一门新型技术,是分析、研究、设计控制系统的强有力工具,是自动控制、计算机及其相关专业的一门重要的专业应用技术课程。
本课程即介绍经典的检测原理和方法,使知识具有衔接性、渐进性,同时又以较大比重介绍新技术、新方法及测量技术的发展趋势,使学生接受的知识与科技发展同步。
教学目的:
1.了解计算机控制系统的组成、分类、及特点
2.掌握计算机接口技术及其在过程通道设计中的应用
3.掌握过程控制数据处理方法、PID控制算法、直接数字控制及算法、了解模糊控制技术
4.掌握计算机控制系统设计的方法、步骤及其分析问题解决问题方法
5.掌握计算机控制系统的应用
教学方法:
本课程采用课堂理论课教学与实验课教学相结合,适当加大实验课程的比例,注重学生对知识应用能力的培养。
理论课程尽量避免空洞的理论堆砌,将结合实例进行讲解,提高学生的兴趣;同时注重与计算机其他相关专业课的结合。
考核方式采用设计性考核,成绩以设计质量进行评定。
各章教学要求及教学要点
第一章微型计算机控制系统概述
课时分配:
2课时
教学要求:
通过本章学习,学生应了解微型计算机控制系统的组成、常见的控制系统的分类、控制系统的发展概况及发展趋势等。
学生应建立控制系统的概念,为后继内容的学习打下基础。
教学内容:
第一节微型计算机控制系统组成
一、微型机控制系统的硬件结构。
二、微型机控制系统的系统软件。
第二节微型计算机控制系统分类
一、DDC控制系统组成及结构。
二、SCC控制系统组成及结构。
三、DCS控制系统组成及结构。
四、CIMS控制系统组成及结构。
五、FCS控制系统组成及结构。
第三节计算机控制系统的发展概况及趋势
一、微型机控制系统在工业生产中所使用的微型机。
二、单片微型计算机。
三、可编程逻辑控制器。
四、STD总线工业控制机。
五、工业PC。
六、微型计算机控制系统的发展趋势。
思考题:
1.未来控制系统发展趋势是什么?
2.微型计算机控制系统硬件由哪几部分组成?
软件有什么作用?
3.CIMS系统、DCS系统、FCS系统相比各有哪些特点?
第二章模拟量输入输出通道接口技术
课时分配:
8课时
教学要求:
通过本章学习,学生应掌握采样定理、多路开关、采样保持器的组成、主要用途及工作原理,重点掌握A/D、D/A转换器主要用途、工作原理及软件编程;熟悉常见采集器件的选型和电路。
教学内容:
第一节多路开关及采样/保持器
一、采样定理。
二、多路开关的组成、用途及工作原理。
三、采样/保持器的组成、用途及工作原理。
第二节模拟量输出通道接口技术
一、D/A转换器的工作原理、接口技术。
二、软件编程。
三、常见D/A转换器介绍。
第三节模拟量输入通道接口技术
一、介绍A/D转换器的工作原理、接口技术。
二、软件编程。
三、常见A/D转换器介绍。
思考题:
1.在数据采集系统中,是不是所有的输入通道都需要加采样/保持器?
2.香农定理的基本内容是什么?
采样频率的高低对数字控制系统有什么影响?
3.A/D、D/A转换器在微型机控制系统中有什么作用?
转换原理有几种?
各种转换方式有什么特点和用途?
第三章人机交互接口技术
课时分配:
6课时
教学要求:
通过本章学习,学生应了解人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出接口设备,掌握键盘接口技术,LED数码管的结构和显示原理,LED静态与动态显示接口技术,LCD显示接口技术。
教学内容:
第一节键盘接口技术
一、介绍在键盘设计中需解决的几个问题。
二、介绍键盘接口技术及软件程序设计。
第二节LED显示接口技术
一、介绍LED动态和静态显示接口技术。
二、软件编程。
第三节LCD显示接口技术
一、介绍LCD的驱动方式、点阵式LCD接口技术。
二、软件编程。
第四节新型人机接口技术概述
一、触摸屏技术介绍。
二、其他常见输入技术介绍
三、人机接口总结。
思考题:
1.键盘为什么要防止抖动?
在微机控制系统中如何实现防抖?
2.编码键盘和非编码键盘有什么区别?
在接口电路和软件设计上有什么区别?
3.LCD和LED显示原理有什么不同?
这两种显示方法各有什么优缺点?
4.无论动态显示还是静态显示都有硬件译码和软件译码之分,在两种译码方式中段、位译码方法各有什么优缺点?
第四章常用控制程序设计
课时分配:
6课时
教学要求:
通过本章学习,学生应掌握常用控制程序的设计方法、开关量输出接口技术,了解电动机的控制接口技术,掌握步进电机控制系统的原理,掌握步进电机与微机的接口及程序设计。
教学内容:
第一节报警程序设计
一、介绍常用的报警方式。
二、常见的报警电路分析与设计。
三、报警程序的设计。
第二节开关量输出接口技术
一、主要介绍光电隔离技术,固态继电器输出接口技术。
二、介绍大功率场效应管开关接口技术等相关内容。
三、应用实例介绍。
第三节电动机控制接口技术
一、介绍开环、闭环脉冲宽度调速系统工作原理。
二、应用实例介绍。
思考题:
1.工业控制系统中常用的报警方式有几种?
各自的应用场合如何?
2.光电隔离器有什么作用?
3.思考直流电机的工作原理?
第五章总线接口技术
课时分配:
4课时
教学要求:
通过本章学习,学生应了解几种工业过程控制中常用的串/并行总线,主要有STD总线、PC总线、RS-232-C总线、总线RS-422总线、RS-485总线以及现场总线等工业过程控制常用的总线,了解串行通信基本概念以及现场总线技术。
教学内容:
第一节并行接口总线
一、并行总线STD总线。
二、PC总线技术。
三、其他常见的并行总线介绍。
第二节串行通信基本概念
一、介绍数据传送方式:
同步和异步通信,差错控制技术等相关内容。
二、串行通讯有缺点分析。
第三节串行通信标准总线
一、RS-232-C。
二、RS-422、RS-485。
第四节现场总线技术
一、现场总线控制系统的特点。
二、五种典型的现场总线控制及其应用技术。
思考题:
1.什么叫总线?
总线分哪两大类?
分别说出他们的特点和用途?
2.STD总线有什么特点?
它适应在什么场合下应用?
3.工业PC与一般的个人电脑有什么区别?
4.RS-232在实际应用中有几种接线方式?
它们各有什么用途?
第六章过程控制数据处理方法
课时分配:
4课时
教学要求:
通过本章学习,学生应了解过程控制数据的处理方法,掌握几种微型机系统中最常用的数据处理方法,如:
计算法、查表法、插值法、零点温度补偿、数字滤波、标度变换以及非线形补偿等。
重点掌握查表技术、数字滤波技术,一般掌握量程自动转换和标准变换,了解测量数据预处理技术等内容。
教学内容:
第一节查表技术
一、顺序查表法的软件编程。
二、对分查表法的软件编程。
三、查表法应用。
第二节数字滤波技术
一、程序判断滤波。
二、中值滤波。
三、算术平均滤波。
四、加权平均值滤波。
五、滑动平均值滤波。
六、RC低通数字滤波。
七、数字滤波性能分析及应用范围。
第三节量程自动转换和标准变换
一、简单介绍量程自动转换等内容。
二、应用实例介绍。
第四节测量数据预处理技术
一、线性插值法、分段插值法的程序设计方法。
二、插值法在流量测量中的应用等内容。
思考题:
1.工业控制程序结构有什么特点?
2.数字滤波与模拟滤波相比有什么优点?
3.常用的数字滤波方法有几种?
它们各自有什么优缺点?
4.标度变换在工程上有什么意义?
在什么情况下使用标度变换程序?
第七章数字PID及其算法
课时分配:
8课时
教学要求:
通过本章学习,学生应了解什么是PID控制,了解数字PID调节中的几个实际问题及解决方法,重点掌握PID算法的数字实现及程序设计,掌握几种发展的PID算法及PID参数的整定方法。
教学内容:
第一节PID算法的数字实现
一、PID算法的数字化。
二、算法的程序设计。
第二节数字PID调节中的几个实际问题
一、PID调节中的几个实际问题及修正方法:
正、反作用;饱和作用的抑制。
二、介绍手动/自动跟踪及手动后援问题等内容。
第三节几种发展的PID算法
一、不完全微分的PID算式。
二、变速积分的PID算式。
三、带死区的PID算式等内容。
四、其他新型PID算法介绍。
第四节PID参数的整定方法
一、介绍采样周期的确定,扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数整定法等内容
二、PID算法参数自整定的设计与实现。
三、常见的自整定方法介绍。
思考题:
1.在PID调节器中,积分项有什么作用?
常规PID、积分分离、变速积分三种算法有什么区别和联系?
2.在数字PID中,采样周期是如何确定的?
它与哪些因素有关?
采样周期的大小对调节品质有何影响?
3.在自动调节系统中,正、反作用如何判定?
在计算机控制系统中如何实现?
第八章直接数字控制及其算法
课时分配:
6/8课时
教学要求:
通过本章学习,学生应掌握两种直接数字控制器的设计以及用计算机实现的方法。
重点掌握最小拍随动系统的设计方法及数字控制D(z)微型机系统中的实现方法,这两部分的内容也是本章的难点。
一般掌握最小拍无波纹随动系统的设计方法,了解大林(Dahlin)算法。
教学内容:
第一节最小拍随动系统的设计
一、最小拍随动系统的脉冲传递函数。
二、最小拍随动系统的数字控制器的设计方法。
第二节最小拍无波纹随动系统的设计
一、介绍单位阶跃输入、单位速度输入、最小拍无波动随动系统的设计方法。
第三节大林(Dahlin)算法
一、介绍大林算法的D(Z)基本形式及相关内容。
第四节数字控制D(z)微型机系统中的实现方法
一、介绍直接程序设计法、串行程序设计法、并行程序设计法等内容。
二、简单介绍数字控制器的设计。
思考题:
1.什么叫直接数字控制?
2.直接数字控制与传统的PID调节有哪些优缺点?
3.是否所有的控制系统都能使用直接数字控制,为什么?
第九章模糊控制技术
课时分配:
4课时
教学要求:
通过本章学习,学生应了解模糊控制的发展概述、特点、应用,了解模糊算法的设计及基本模糊控制器,了解如何建立模糊数模型,了解用模糊-PID复合控制器来提高模糊控制精度的方法。
教学内容:
第一节模糊控制概述
一、模糊控制的发展概况、特点。
二、模糊控制的应用。
第二节模糊控制算法的设计
一、常见的模糊控制规律。
第三节基本模糊控制器
一、查表法的建立。
二、基本模糊控制器实例。
第四节模糊数模型的建立
一、建立模糊数模型的方法。
二、双输入单输出模糊控制的模糊控制规则。
第五节模糊-PID复合控制器
一、介绍比例-模糊-PID控制器。
二、参数模糊自整定PID控制器的内容。
思考题:
1.为什么说模糊控制程序设计是所有控制系统中最简单的一种程序设计方法?
2.如何建立模糊数模型?
这种模型有什么实际意义?
3.比较传统PID控制、直接数字控制、模糊控制在应用上有什么异同点?
第一十章微型机控制系统设计
课时分配:
2/4课时
教学要求:
本章是在学生系统掌握了前面所讲授的内容后,重点让学生掌握微型机控制系统设计的方法和步骤,通过具体实例让学生了解微型机在工业过程控制及智能化仪器中的应用。
教学内容:
第一节微型机控制系统设计方法及步骤
一、控制系统总体方案的确定。
二、微型机及接口的选择、控制算法的选择、控制系统的硬件、软件设计及系统调式。
第二节剃度炉温度模糊控制系统
一、模糊控制系统的具体实例。
思考题:
1.在微型机控制系统设计时,如何选择硬件和软件?
2.在做微型机控制系统总体方案时,主要考虑哪些问题?
3.分析几个常见的控制系统实例。
参考书目:
1.孙增折.计算机控制理论及应用[M].北京:
清华大学出版社,1989.
2.于海生.微型计算机控制技术[M].北京:
清华大学出版社,1999.
3.谢剑英.微型计算机控制技术[M].北京:
国防工业出版社,1985.
4.王锦标,方案智.过程计算机控制[M].北京:
清华大学出版社,1992.
5.黄一夫.微型计算机控制技术[M].北京:
机械工业出版社,1988.
6.蔡白兴,徐光佑.人工智能及其应用[M].北京:
清华大学出版社,1996.
7.孙传友.测控电路及装置[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2002.
8.董永贵,李庆祥.精密测控与系统[M].北京:
清华大学出版社,2002.
9.李世平.PC计算机测控技术及应用[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2003.
10.高春甫.微机测控技术[M].北京:
科学出版社,2003.
执笔人:
章磊2004年5月
审定人:
李耀2004年5月
院(系、部)负责人:
韩忠愿2004年5月
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