丁健 干開峰

【摘 要】《計算機控制技術(shù)》是自動化專業(yè)的一門理論性與實踐性都很強的課程。加強實踐環(huán)節(jié)，尤其是綜合實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)理論知識進行實際應(yīng)用的設(shè)計過程。論文介紹以項目為載體，優(yōu)化重置該課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式，圍繞計算機控制系統(tǒng)的教學(xué)實踐，設(shè)計不同的實施項目，運用項目驅(qū)動教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)，解決高校《計算機控制技術(shù)》教學(xué)與人才培養(yǎng)滯后問題，切實提高學(xué)生的實踐動手能力和軟硬件開發(fā)能力。

【關(guān)鍵詞】計算機控制系統(tǒng);教學(xué)實踐;項目驅(qū)動

The Practice Teaching Study of “Computer Control Technology” Course Base on Project-driven

DING Jian GAN Kai-feng

（Department of Electronics & Electrical ?Engineering， Hefei University， Hefei Anhui 230601， China）

【Abstract】“Computer control technology” is the automation of a theoretical and practical course， Strengthening the practice， especially the comprehensive practice， is the students comprehensive use professional theory knowledge to practical application of the design process. This paper introduces to the project as a carrier， teaching content and teaching methods of the course of the optimal reset， the computer control system of teaching practice， construction project different， the use of project driving teaching， to stimulate students interest in learning， cooperative spirit and style of study of the theory and practice of the cultivation of students innovation consciousness， teaching and talents in Colleges and universities， to solve the “computer control technology” culture lag system， to improve the students practical ability and hardware and software development capabilities.

【Key words】Computer control system; Teaching practice; Project-driven

0 引言

計算機控制技術(shù)是計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、自動檢測與傳感技術(shù)、CRT技術(shù)相結(jié)合的綜合應(yīng)用技術(shù)，是自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)課，也是一門實踐性強的技術(shù)類課程。它涉及的基礎(chǔ)理論和知識面較廣，知識集成度高，在專業(yè)課程體系中占有重要的地位。由于專業(yè)理論性較強、概念抽象，理解起來有些困難，教師如何引導(dǎo)學(xué)生掌握該課程的基本理論和研究分析問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生具有一定的工程實踐能力，這是急需要解決的問題。加強實踐環(huán)節(jié)，尤其是綜合實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生綜合所學(xué)，進行實際應(yīng)用的設(shè)計過程，通過設(shè)置不同的實施項目，運用項目驅(qū)動教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)，切實提高學(xué)生的實踐動手能力和軟硬件開發(fā)能力。

本課程的教學(xué)應(yīng)該結(jié)合專業(yè)背景而展開，這樣才能真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也是具體改進方法取得良好效果的關(guān)鍵。該門課程的學(xué)習(xí)效果將會對其走上工作崗位后的科學(xué)研究能力和工程實踐能力均有較大的影響，上至分散控制系統(tǒng)下至DDC，以及現(xiàn)場的一個具體控制回路等都是計算機控制技術(shù)要考慮解決的內(nèi)容。本門課程的實踐教學(xué)可從以下幾個方面考慮。

1 培養(yǎng)學(xué)生對知識的系統(tǒng)性和有機整合的能力

加強引導(dǎo)學(xué)生理解計算機控制系統(tǒng)各相關(guān)內(nèi)容及相互之間的關(guān)系，內(nèi)容主要有： 輸入輸出接口技術(shù)、通信和總線技術(shù)、控制算法、數(shù)字開環(huán)控制、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)的一般設(shè)計方法?？雌饋砗茈s，好似相互獨立，實際上是與自控原理相銜接，包含著兩部分內(nèi)容：一是計算機控制理論基礎(chǔ)， 即離散控制理論、離散系統(tǒng)分析與設(shè)計方法;二是實現(xiàn)技術(shù)，主要是通道接口技術(shù)與系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)。需要強調(diào)計算機控制與連續(xù)控制的相同和不同的概念、不同的設(shè)計分析方法，讓學(xué)生掌握計算機控制的基本分析、設(shè)計方法。從系統(tǒng)的角度，說明一個實際的計算機控制系統(tǒng)的組成和各部分功能及實現(xiàn)方法。[1]

合理確定理論教學(xué)內(nèi)容和深度，如何將各個組成部分組合成為一個完整計算機控制系統(tǒng)，這也是開設(shè)本門課程的一個主要目的。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)也要圍繞這個目的展開。

2 增強實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力

課堂上理論教學(xué)缺乏對計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及相關(guān)理論知識的全面深入的理解，有必要通過物理閉環(huán)數(shù)字DDC 控制系統(tǒng)加強實驗教學(xué)的內(nèi)涵，以真正培養(yǎng)學(xué)生對綜合知識的運用能力及動手能力。結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容和實驗室現(xiàn)有實驗條件，讓學(xué)生在實驗室親自動手完成課堂上設(shè)計的實驗。這樣使學(xué)生能夠通過這個實例看到如何一步步把理論知識轉(zhuǎn)化為實際的系統(tǒng)，從而增強系統(tǒng)連接和整體調(diào)試的綜合能力。進一步，可再提供諸如簡易電加熱爐、數(shù)據(jù)采集卡、微機以及虛擬儀器軟件LabVIEW或組態(tài)軟件給學(xué)生搭建溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗平臺，由學(xué)生完成從硬件選型、系統(tǒng)搭建、算法選擇、軟件編程一直到實現(xiàn)對爐溫的控制這樣一個完整的過程。通過實際調(diào)試，還可感受到工程實際和理論設(shè)計的差別，以及調(diào)試不通過時，反復(fù)調(diào)試，可逐漸掌握排查問題和解決問題的方法。

再有，還可更換被控對象，如機械手步進電機控制等，提供給學(xué)生更多的動手實踐機會，激發(fā)學(xué)生實際操作的積極性和創(chuàng)新意識。

3 合理設(shè)置計算機控制系統(tǒng)綜合項目

實踐教學(xué)是提高學(xué)生創(chuàng)新精神和能力的重要途徑，因而要合理安排好實驗內(nèi)容[2-4]。為此，應(yīng)開發(fā)綜合設(shè)計項目，通過實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機控制技術(shù)理論解決實際問題的能力。綜合設(shè)計項目與傳統(tǒng)驗證實驗的最大不同是：實驗只提出目標(biāo)和要求，沒有詳細的實驗步驟、實驗電路圖，學(xué)生根據(jù)情況自主選擇難度等級不同的項目，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，獨立完成系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)搭建和調(diào)試，寫出實驗報告。所有這些都能極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，鞏固課程理論，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和獨立思考的能力，使其觀察、分析、解決問題的能力都能得到很好的訓(xùn)練。

工業(yè)控制計算機作為計算機控制系統(tǒng)的核心部件，首先，要在設(shè)計項目中應(yīng)體現(xiàn)其作為工業(yè)控制器的特點，只有這樣，才能讓學(xué)生充分理解工業(yè)控制計算機的硬件特性和功能。其次，將設(shè)計內(nèi)容與工程實際結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。為此，要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，圍繞現(xiàn)有的計算機控制實驗室和具有模擬和仿真條件的校內(nèi)實驗機房或?qū)嵱?xùn)室，著力開發(fā)較合適的實訓(xùn)項目或虛擬實驗項目，既要能能達到鍛練學(xué)生綜合設(shè)計的能力，又要能讓學(xué)生做得出來。開發(fā)的計算機控制系統(tǒng)綜合設(shè)計項目舉例見表1，并以項目四為例，證明虛擬實驗室可以鍛煉學(xué)生軟硬件的綜合開發(fā)能力。[5]

3.1 Smith純滯后溫度控制系統(tǒng)的Matlab輔助設(shè)計與仿真

電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)被控對象實驗數(shù)據(jù)，可確定被控對象的純滯后時間τ=80s和對象時間常數(shù)Tp=60s，其比例τ/Tp>0.5，故采用帶有Smith預(yù)估器的數(shù)字PID控制算法，在Matlab軟件的Simulink模型窗口創(chuàng)建smith.mdl模型文件，如圖1所示[6]。

圖1 帶有Smith預(yù)估器的數(shù)字PID控制系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)被控對象時間長短并結(jié)合工程經(jīng)驗，確定采樣周期為1s，調(diào)試比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki，使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，沒有超調(diào)，使單位階躍響應(yīng)輸出曲線的上升時間滿足設(shè)計要求，可得仿真結(jié)果（如圖2所示）。由圖2可知，引入Smith預(yù)估器后，閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線無超調(diào)，只是在時間上滯后τ=80s。采用帶有Smith預(yù)估器的數(shù)字PID控制算法可實現(xiàn)對電阻爐溫度的純滯后補償控制。

經(jīng)此本項目設(shè)計，學(xué)生可結(jié)合對電阻爐溫度對象的控制，掌握smith預(yù)估控制器的設(shè)計原理及參數(shù)調(diào)試方法、技巧，為實際對象的控制及控制方法的合理選擇積累經(jīng)驗。

3.2 溫度檢測信號及Proteus輔助設(shè)計與仿真

電阻爐的溫度檢測可采用鎳鉻-鎳硅熱電偶，經(jīng)信號調(diào)理電路處理，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機。可使用Proteus的ISIS組件繪制的ADC0809與AT89C51接口原理圖。編輯源程序，使用keil C編譯后向AT89C51加載可執(zhí)行程序，仿真運行、調(diào)試，在顯示電路顯示對應(yīng)的溫度值，同時根據(jù)實際情況輸出對應(yīng)的控制信號，達到控制溫度的目的。

經(jīng)此虛擬設(shè)計，學(xué)生可學(xué)習(xí)A/D芯片ADC0809轉(zhuǎn)換性能及編程方法，掌握A/D轉(zhuǎn)換器與單片機接口軟硬件設(shè)計方法。

在經(jīng)過仿真驗證后，可利用實驗室等現(xiàn)有條件，進行實物的制作、調(diào)試。

3.3 項目報告

在每一個項目完成時，學(xué)生按小組總結(jié)本次項目設(shè)計的情況，并制作PPT演示文檔對本項目做匯報小結(jié)。學(xué)生可以將自己在項目設(shè)計過程中碰到的一些困難、問題提出，并說明采用何種思路與方法解決實際問題;也可以將自己小組的開發(fā)設(shè)計思路和其他小組進行交流，從而加強對項目設(shè)計和項目所涉及知識點更深層次的了解和領(lǐng)悟。最后進行作業(yè)展示，教師應(yīng)針對項目設(shè)計過程中出現(xiàn)的一些問題進行整理總結(jié)，并提出改進方法，也為以后的教學(xué)累積經(jīng)驗，達到教學(xué)相長的效果。

4 結(jié)束語

在驗證性實驗的基礎(chǔ)上多做一些綜合性設(shè)計實驗或綜合項目的設(shè)計對于計算機控制技術(shù)的掌握掌握尤為必要，但是Matlab、Proteus等仿真軟件在計算機控制系統(tǒng)綜合設(shè)計中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，對學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)也具有現(xiàn)實意義，再有就是利用虛擬仿真軟件替代價格昂貴的實驗設(shè)備和測試儀器，可在課堂上進行仿真分析，便于學(xué)生深入理解和掌握概念;同時，實驗結(jié)果可用來指導(dǎo)實際系統(tǒng)的設(shè)計，減少實物實驗調(diào)試和耗材，縮短項目設(shè)計周期。仿真不能完全代替實物，在利用Matlab，Proteus等軟件進行仿真分析的基礎(chǔ)上將其應(yīng)用于實物系統(tǒng)，才能真正將校內(nèi)實踐教學(xué)與企業(yè)實際工作崗位需求有機銜接與融通。

【參考文獻】

[1]嚴(yán)娟娟.以提高應(yīng)用能力的“計算機控制”課程改革的思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009（S2）：26-28.

[2]輔小榮.計算機控制技術(shù)課程實踐教學(xué)探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011（9）： 81-83.

[3]鞠陽.計算機控制技術(shù)課程教學(xué)方法改革探索[J].南京工程學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2007，7（1）：45 - 47.

[4]王濤，徐英雷.“計算機控制技術(shù)”課程教學(xué)容探討[J].中國電力教育，2009（22）： 108-109.

[5]張智軍.計算機控制系統(tǒng)虛擬實驗室建設(shè)與探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012（9）：28-29.

[6]薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2010，7.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]