羅 勝 馬 光 周宏明 鄭蓓蓉 葉忻泉

【摘要】針對(duì)機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)在《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程教學(xué)中的一些問題,從宏觀的教學(xué)體系設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容厘定、教學(xué)實(shí)踐方式,到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真手段等等方面進(jìn)行分析、討論,以加強(qiáng)與專業(yè)方向的對(duì)接為手段,力圖使《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程規(guī)范化,培養(yǎng)出富有專業(yè)特色和具有動(dòng)手能力的學(xué)生。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)改革;課程建設(shè);計(jì)算機(jī)控制技術(shù);專業(yè)特色

【中圖分類號(hào)】G420【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2009)08—0117—03

引言

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為工具實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng),培養(yǎng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)觀念是課程的核心,但是實(shí)現(xiàn)方法不同于連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)。因此,這門課程仍應(yīng)以離散控制理論為線索,以離散控制理論如何采用軟、硬件實(shí)現(xiàn)為主要內(nèi)容,與連續(xù)控制系統(tǒng)對(duì)比的方式進(jìn)行教學(xué),以認(rèn)清因手段不同而產(chǎn)生的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式的變化以及由此而產(chǎn)生的其它一系列問題,如采樣周期、振鈴現(xiàn)象等。有的教師在講授這門課程時(shí),主要是在微機(jī)原理及應(yīng)用課程的基礎(chǔ)上增加一些通道和微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其工業(yè)控制方面的應(yīng)用,側(cè)重點(diǎn)在微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而對(duì)離散控制理論則只講述一些基本定理和PID 等較為直觀的基本算法,對(duì)這些算法的導(dǎo)出不做系統(tǒng)介紹。對(duì)于微機(jī)與控制的結(jié)合,除了講述采樣程序外,重點(diǎn)介紹常用數(shù)據(jù)處理程序,而對(duì)數(shù)據(jù)處理的依據(jù)以及人對(duì)信號(hào)的影響則不涉及。從教學(xué)目的看,客觀上這種方式直接向?qū)W生傳授了許多具體問題的實(shí)際處理方法,使學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)后的工作中能很快進(jìn)入角色。但這種方式也有很明顯的弊病,對(duì)很多問題及方法,學(xué)生知其然不知其所以然,基本理論的欠缺使學(xué)生在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和提高中顯現(xiàn)出先天不足,底子虛,后勁不大。學(xué)生難以理解控制理論與計(jì)算機(jī)的結(jié)合點(diǎn),掌握不住這門課程的精髓,只當(dāng)作《微機(jī)原理》的應(yīng)用篇去學(xué)習(xí)。

一課程教學(xué)改革的設(shè)計(jì)思路

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》有其自身的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐技巧。數(shù)字控制器設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)測控的核心,軟硬件技術(shù)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)手段,現(xiàn)場總路線是其連接擴(kuò)展的方式。數(shù)字控制器的核心是數(shù)字信號(hào)分析與處理,基礎(chǔ)是拉氏變換和Z變換,主要內(nèi)容是數(shù)字PID、數(shù)字濾波、最少拍無差系統(tǒng)、Simth算法和達(dá)林算法等,擴(kuò)展后可涉及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容。這部分內(nèi)容理論性較強(qiáng),在實(shí)踐應(yīng)用中需要Matlab作為輔助設(shè)計(jì)手段,在教學(xué)中也需要用Matlab仿真檢驗(yàn)數(shù)字控制器的效果。因此如果能在課前開設(shè)Matlab課程,本課程中輔助加入一些Matlab輔助控制器設(shè)計(jì)內(nèi)容,能有效提高本課程學(xué)習(xí)的效率。而AD和DA原理及芯片的使用,開關(guān)量的輸入與輸出,顯示器、鍵盤與電機(jī)的接口等內(nèi)容則面向?qū)嵺`,分成軟件編程和硬件接口兩個(gè)方面,軟件編程通常用匯編或者C語言,硬件接口與數(shù)字電路和接口技術(shù)相關(guān),強(qiáng)調(diào)動(dòng)手操作?，F(xiàn)場總線則偏重于應(yīng)用。因此,這門課程的內(nèi)容看似蕪雜,其實(shí)自成體系,教學(xué)內(nèi)容豐富而且彈性極大。電類專業(yè)開設(shè)的這門課程以微型計(jì)算機(jī)(單片機(jī)等)系統(tǒng)為主線,以微機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)的方法及軟、硬件實(shí)現(xiàn)為形式,了解與掌握應(yīng)用為其主要目的;而計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)開設(shè)這門課程,其主體應(yīng)為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的原理與方法、用于控制系統(tǒng)的高可靠性計(jì)算機(jī)的硬件及接口設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)與編制原則,并以適量課時(shí)用于應(yīng)用與實(shí)例介紹。機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)的本門課程教學(xué),應(yīng)根據(jù)教學(xué)目的而采用合適的教材,針對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué),開設(shè)以“系統(tǒng)”為特征的綜合實(shí)驗(yàn)。

如果課程以數(shù)字控制理論為主體,在理論的應(yīng)用中介紹微機(jī)控制方式及其具體實(shí)現(xiàn),涉及到微機(jī)的內(nèi)容重點(diǎn)介紹在微機(jī)原理及應(yīng)用等課程中所未講授的,形式上則以應(yīng)用控制系統(tǒng)出現(xiàn)。這種方式為學(xué)生打下了較堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),特別是應(yīng)用日益廣泛的離散控制理論的基礎(chǔ),但對(duì)于應(yīng)用類專業(yè)學(xué)生,同時(shí)也表現(xiàn)出它的一些缺陷。最為明顯的是由于減少了微機(jī)方面的比重而使學(xué)生在具體應(yīng)用中很難適應(yīng),特別在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更是如此。這種情況在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中就可以表現(xiàn)出來。授課內(nèi)容側(cè)重離散控制理論,學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問題時(shí),如果沒有良好的微機(jī)原理基礎(chǔ)就很難掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

二具體的教學(xué)改革內(nèi)容

1 有機(jī)自專業(yè)特色的控制類課程教學(xué)體系

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程從應(yīng)用角度出發(fā),密切結(jié)合工業(yè)自動(dòng)化實(shí)踐, 是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的主干課程之一,以在《自動(dòng)控制原理》課程中沒涉及到的、計(jì)算機(jī)相關(guān)的控制技術(shù)為主要內(nèi)容。它的主要任務(wù)是通過各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法,使學(xué)生掌握數(shù)字控制器的基礎(chǔ)知識(shí)、基本應(yīng)用技術(shù);掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件的選擇、組織、配置和設(shè)計(jì);了解現(xiàn)場總線技術(shù)的基本概念,掌握一至二種典型應(yīng)用系統(tǒng);貫徹理論聯(lián)系實(shí)際的原則,把硬件和軟件結(jié)合、控制原理和典型應(yīng)用結(jié)合,以利學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制原理和應(yīng)用技術(shù)的完整知識(shí)。

提高《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》的教學(xué)效果,要求學(xué)生熟練掌握的專業(yè)知識(shí)較多,包括《電工電子學(xué)》、《控制理論》、《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》、《單片機(jī)原理》等專業(yè)課程。所以《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程的開課時(shí)間應(yīng)晚于上述課程。這樣,《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》理論講解的重點(diǎn)可放在控制系統(tǒng)的離散化理論、控制系統(tǒng)總體的工業(yè)控制系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)上,大大減少理論講授所需的時(shí)間。而《PLC技術(shù)》、《電機(jī)與拖動(dòng)》和《傳感器技術(shù)》等課程可以同時(shí)開設(shè),也可以在之前或者之后都沒有太大的關(guān)系。

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》以經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ),總線式工業(yè)控制機(jī)為控制工具,微機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)為手段,系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)為目的,從而做到理論、技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,理論與實(shí)踐并重,綜合性較強(qiáng),應(yīng)該后續(xù)開設(shè)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì),綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí),鞏固教學(xué)效果[1]。

2 有機(jī)自專業(yè)特色的課程內(nèi)容設(shè)定

與內(nèi)容豐富、綜合性強(qiáng)、對(duì)學(xué)生要求較高相反,課時(shí)逐年減少。對(duì)于機(jī)械電子專業(yè),筆者擬定的教學(xué)內(nèi)容時(shí)只能把大量的外延擴(kuò)展內(nèi)容放在課外,課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容濃縮,大致如下:

(1) 輸入/輸出通道接口技術(shù)(8學(xué)時(shí))

本門課程之前,開設(shè)了《電工電子學(xué)》和《單片機(jī)原理》,講授最基本的數(shù)字電路和單片機(jī)軟硬知識(shí),但沒有接觸過由器件搭配接口及用程序控制生產(chǎn),開始時(shí)學(xué)生都有些不適應(yīng)。這部分內(nèi)容講解如何使用器件實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能,以典型常用的硬件,如ADC0809、鍵盤、觸摸屏、DAC0832、LED、開關(guān)量輸入輸出接口等作為例子介紹工作原理、使用方法和技術(shù)細(xì)節(jié)問題。有了這種訓(xùn)練以后,學(xué)生以后可以通過查閱用戶手冊(cè)的方法在較短時(shí)間內(nèi)熟悉其它硬件的使用。

(2) 順序控制與數(shù)字程序控制(5學(xué)時(shí))

順序控制在《PLC技術(shù)》中有詳細(xì)的講解,在此部分側(cè)重于綜合介紹順序控制的特點(diǎn)、種類、思路和應(yīng)用場合。數(shù)字程序控制是數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ),學(xué)生在以前的學(xué)習(xí)或者生活中對(duì)數(shù)控機(jī)床接觸得很多,這部分的內(nèi)容容易引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并且會(huì)自覺地把理論和實(shí)際聯(lián)系起來。

(3) 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)(16學(xué)時(shí))

這部分在講授在數(shù)字信號(hào)采樣和處理的基礎(chǔ)知識(shí)后,主要學(xué)習(xí)實(shí)際生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用的控制算法,如數(shù)字PID 算法、最少拍控制算法等。對(duì)于理論性較強(qiáng),而實(shí)際生產(chǎn)過程中使用較少的算法,如Dahlin算法、Smith 預(yù)估控制等,則只做簡單介紹,使學(xué)生對(duì)其有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)即可。

(4) 先進(jìn)控制技術(shù)(8學(xué)時(shí))

對(duì)于近年應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程的智能控制算法如模糊控制、現(xiàn)場總路線等內(nèi)容,作為次重點(diǎn)講授,以提升學(xué)生對(duì)新技術(shù)的興趣,引導(dǎo)其入門。

(5) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(7學(xué)時(shí))

抗干擾是生產(chǎn)現(xiàn)場必須要注意的一個(gè)重要事項(xiàng),是本課程實(shí)用性的一個(gè)體現(xiàn)。本章重點(diǎn)有二個(gè),一是抗干擾技術(shù),二是如何從設(shè)計(jì)要求搭建系統(tǒng)滿足生產(chǎn)需要,包括器件選型、控制器設(shè)計(jì)、接口制作和程序設(shè)計(jì)。抗干擾技術(shù)包括光電隔離、濾波、屏蔽、接地、軟件陷阱、看門狗等方面,是其它課程教學(xué)中沒有涉及到的,或者沒有系統(tǒng)講解的內(nèi)容。

3 關(guān)于輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具M(jìn)ATLAB的教學(xué)安排

在工程實(shí)際中,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜,如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件,則很難準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī),對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真。與計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD軟件已經(jīng)是機(jī)械工程師不可缺少的基本技能一樣,輔助設(shè)計(jì)和仿真的手段已成為系統(tǒng)分析、研究、設(shè)計(jì)及人員訓(xùn)練的不可缺少的重要手段。借助于控制方面廣泛應(yīng)用的MATLAB系統(tǒng)和系統(tǒng)仿真技術(shù),結(jié)合《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程的教學(xué)環(huán)境、要求以及工程實(shí)際,開設(shè)《MATLAB輔助設(shè)計(jì)和仿真》課程。該課程可使學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的工藝和控制要求設(shè)計(jì)數(shù)字控制器、選擇控制參數(shù)以及編制控制軟件,并在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察控制效果,提高課程的教學(xué)質(zhì)量,增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力。對(duì)于目前環(huán)節(jié)性實(shí)驗(yàn)過重、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)沒條件開展的情況,系統(tǒng)仿真是一個(gè)有效的教學(xué)方式,也能節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資。

但是如果把MATLAB放入《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程內(nèi)的話,在目前教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)十分豐富、課時(shí)量逐步減少的情況下比較困難。如果把MATLAB的內(nèi)容單獨(dú)開設(shè)為選修課程,與《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》同學(xué)期進(jìn)行,也可以取得較好的效果。

4 結(jié)合專業(yè)方向的擴(kuò)展課堂教學(xué)

在教學(xué)改革中,結(jié)合機(jī)自類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo),面向科學(xué)技術(shù)前沿、面向未來,將教學(xué)內(nèi)容分重點(diǎn)、次重點(diǎn)、理解、了解、延伸擴(kuò)展、實(shí)踐動(dòng)手等層次,把基礎(chǔ)的、必須的內(nèi)容放在課堂內(nèi),將延伸擴(kuò)展的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐動(dòng)手的指導(dǎo)手冊(cè)放在課外。延伸擴(kuò)展的教學(xué)內(nèi)容包括相關(guān)的最新科學(xué)技術(shù),如LCD、觸摸屏神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等。將匯編程序設(shè)計(jì)、MATLAB輔助數(shù)字系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等一部分設(shè)計(jì)成課件,放在實(shí)踐動(dòng)手部分;一部分作為擴(kuò)展材料供學(xué)生課外閱讀。編寫《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)報(bào)告書。編寫課外實(shí)踐動(dòng)手指導(dǎo)手冊(cè),內(nèi)容分成電路設(shè)計(jì)制作、器件識(shí)別使用、程序編寫調(diào)試三個(gè)部分。將理論部分、器件部分和實(shí)踐部分合理搭配,將理論部分的掌握內(nèi)容、了解內(nèi)容、擴(kuò)展閱讀內(nèi)容合理分布,選擇較新、常用、有代表性的器件進(jìn)行介紹,淘汰市場上已經(jīng)很少出現(xiàn)的器件的說明,將配套的實(shí)踐指導(dǎo)內(nèi)容適當(dāng)?shù)胤峙湓诮贪?、課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和課外實(shí)踐動(dòng)手指導(dǎo)手冊(cè)上,給學(xué)生以更寬松的環(huán)境、更大的自由柔性空間,既讓學(xué)生有主次地掌握課程內(nèi)容,又給學(xué)生的自由發(fā)展作了一定指導(dǎo)。

5 注重實(shí)踐的教學(xué)改革

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》是門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,完成課程后學(xué)生應(yīng)當(dāng)具有系統(tǒng)性的綜合實(shí)踐能力。本課程無論是理論部分還是實(shí)踐部分,都不應(yīng)僅作為純理論知識(shí)來講授,而應(yīng)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用為目的,應(yīng)該注意與生產(chǎn)生活實(shí)際相結(jié)合,與學(xué)生已接觸到的一些設(shè)備或者現(xiàn)象為案例。例如,結(jié)合數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的實(shí)例,對(duì)于前向通道,可以完成傳感與檢測、濾波與放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及開關(guān)量輸入等內(nèi)容教學(xué);對(duì)于后向通道,結(jié)合模擬量與數(shù)字量的輸出、隔離與驅(qū)動(dòng),可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到從簡單的開關(guān)量控制(如閥組、接觸器等)到復(fù)雜的模擬控制(如速度、位置與伺服系統(tǒng)等);而通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì),可以使學(xué)生學(xué)習(xí)到傳遞函數(shù)離散化、控制算法設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)硬件與軟件的實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容[2]。此外,如工業(yè)機(jī)器人、物料傳輸系統(tǒng)、汽車的各種微機(jī)控制系統(tǒng)等都是本門課程的實(shí)例典范。這樣不但讓學(xué)生對(duì)某一方面有比較深入的理解,還體現(xiàn)了課程間的連貫性。

在其它工科院校以及本校以前的教學(xué)中,《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程一般采用課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)這兩種傳統(tǒng)方式進(jìn)行教學(xué),課堂教學(xué)傳授基礎(chǔ)知識(shí),實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生認(rèn)知、有助于理解和提高應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)課一般一次課兩個(gè)課時(shí),一次課檢驗(yàn)和掌握一到二個(gè)主要知識(shí)點(diǎn),偏向于環(huán)節(jié)性、檢驗(yàn)性的簡單內(nèi)容,對(duì)于鍛煉創(chuàng)新意識(shí),提高工程實(shí)踐能力,掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法,是不夠的。尤其針對(duì)于《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》這種以搭建系統(tǒng)為目的的課程,設(shè)計(jì)、制作一個(gè)案例不可能在二至四個(gè)課時(shí)內(nèi)完成,實(shí)驗(yàn)課難以達(dá)到目標(biāo)。如果能給學(xué)生提供第二課堂,開展課外設(shè)計(jì)制作活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生申報(bào)學(xué)生課題,積極參與教師的科研課題,鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手制作實(shí)物,對(duì)工廠企業(yè)、展覽會(huì)或者日常生活的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)研、原理動(dòng)作分析和仿制,開展科技小發(fā)明活動(dòng),則能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。改革學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)手段也要相應(yīng)地變化。允許學(xué)生用自制實(shí)物、調(diào)研報(bào)告、設(shè)計(jì)制作報(bào)告,甚至創(chuàng)意作為課程學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)手段。這樣可以突破以往的封閉式教學(xué)方法,使機(jī)自類專業(yè)的學(xué)生自己動(dòng)手掌握相關(guān)的機(jī)電一體化知識(shí),經(jīng)歷從機(jī)電一體化系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)到制作,完成整個(gè)過程,培養(yǎng)了創(chuàng)新能力、想象力和科學(xué)技能[3][4]。

三總結(jié)

經(jīng)過改革,《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程教學(xué)取得了良好的效果,做到理論、技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,突出機(jī)電專業(yè)方向,把各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致,減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān),提高學(xué)習(xí)效率。隨著擴(kuò)展課堂教學(xué)的開展,學(xué)生感到課程的核心內(nèi)容更清晰,更能準(zhǔn)確把握,而擴(kuò)展的學(xué)習(xí)內(nèi)容更靈活豐富,學(xué)習(xí)積極性得到了進(jìn)一步的發(fā)揮。把典型的機(jī)電工程案例結(jié)合進(jìn)教學(xué)內(nèi)容后,學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力有所增強(qiáng),視野得到拓展,控制系統(tǒng)的系統(tǒng)觀念得到明顯改善。