東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院 劉學(xué)良 張 志 趙 洋 姜 鳴

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基于案例的《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)改革探索

東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院 劉學(xué)良 張 志 趙 洋 姜 鳴

【摘要】介紹了《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)上的一些改革探索及實(shí)踐。 傳統(tǒng)教學(xué)方式傾向于理論知識的教授， 忽略了學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。本文借鑒歐美國家研究型大學(xué)的教學(xué)法， 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程上進(jìn)行以案例為中心的教學(xué)方式， 直接以案例開啟教學(xué)。通過案例教學(xué)的實(shí)踐，不僅使學(xué)生加深了對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程內(nèi)容的理解，同時(shí)也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，教學(xué)效果良好。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；案例教學(xué)；教學(xué)改革

本文為東莞理工學(xué)院教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目。

1　引言

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是自動化、電子信息工程、電氣工程及其自動化等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門主干課程。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、現(xiàn)場總線智能儀表，尤其是可編程邏輯器件的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)知識的更新速度日益加快，這就對《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程的教學(xué)提出了更高的要求。顯然傳統(tǒng)的以課堂為中心、以教師為中心、以教材為中心的傳承式教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需求，不利于應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。因此對《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》進(jìn)行教改，激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，具有重要的實(shí)際意義。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程的教學(xué)方式以講授理論課為主，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)為輔。雖然該課程為學(xué)生打下了較堅(jiān)實(shí)的計(jì)算機(jī)控制理論基礎(chǔ)，但學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用時(shí)很難將數(shù)字控制理論與單片機(jī)技術(shù)、PLC及傳感器與檢測技術(shù)等其他課程知識有機(jī)結(jié)合起來，難以學(xué)以致用。另外，即使學(xué)生掌握了基本理論知識，但不知道此門課程的理論知識到底有什么用，怎么來用，用到哪？目前，全國各大學(xué)都針對各自學(xué)校的特點(diǎn)，從教學(xué)思想、教育觀念、教學(xué)方法和手段等多方面進(jìn)行對《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程進(jìn)行改革，進(jìn)行了許多有益的嘗試，但校情不同，生源不同，歷史沉淀有別，不能照搬照套別人的教育教學(xué)模式。因此我院的改革勢在必行，改革是學(xué)科發(fā)展的必然，是對傳統(tǒng)課程體系的挑戰(zhàn)，是素質(zhì)教育的需要。

2　案例教學(xué)

案例教學(xué)是在教師的引導(dǎo)下，根據(jù)課堂教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的需要，通過設(shè)計(jì)具體案例，通過組織學(xué)生對案例的調(diào)研、閱讀、思考、分析、討論、表達(dá)和交流等活動，掌握并理解與案例密切相關(guān)的基本概念與基本原理，進(jìn)而提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力的一種教學(xué)方法，是一種典型的理論與實(shí)踐相結(jié)合的互動式教學(xué)。

與傳統(tǒng)教學(xué)方法不同，案例教學(xué)不單指向教，而且也覆蓋學(xué)，教與學(xué)相輔相成。其可貴之處在于從來自社會實(shí)踐的案例中的問題出發(fā)，啟動特有的教學(xué)程序，而在教學(xué)系統(tǒng)結(jié)尾，又回歸到問題的解決之上。與傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方法相比，案例教學(xué)法顯示出理論聯(lián)系實(shí)際、促使學(xué)生尊重社會實(shí)踐的優(yōu)越性。案例教學(xué)關(guān)注的不僅僅是事實(shí)性知識和概念的獲取， 更重要的是注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析與解決問題的能力， 啟發(fā)學(xué)生建立一套思考問題的方法與分析、解決問題的一種思維方式。

圖1　電阻爐溫度控制系統(tǒng)

3　案例講解

本節(jié)以電阻爐溫度控制系統(tǒng)為案例，首先通過實(shí)物介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，其次，用實(shí)驗(yàn)?zāi)M法來辨識出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)合適的控制器，最后通過對仿真驗(yàn)證。典型的電阻爐溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。 實(shí)施案例教學(xué)分以下四部進(jìn)行。

3.1系統(tǒng)硬件介紹

典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的硬件包換計(jì)算機(jī)、A/D、D/A、執(zhí)行器、傳感器及PCI總線。通過實(shí)物對比，讓學(xué)生對硬件設(shè)施有一個(gè)初步的了解，引起學(xué)生的興趣。

圖2　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

3.2系統(tǒng)模型的建立

電阻爐加熱時(shí)溫度上升具有延時(shí)現(xiàn)象，不妨將其模擬成一個(gè)典型的純滯后一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

3.3PID控制器及smith補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

數(shù)字控制器采用增量式PID控制算法，即：

在電阻爐溫度控制過程中，溫度的加熱存在延時(shí)，將會導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)超調(diào)量過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生振蕩或者不穩(wěn)定。接下來通過設(shè)計(jì)Smith預(yù)測控制來消除滯后的影響。根據(jù)Smith預(yù)測控制器設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)如下下的Smith預(yù)測控制器：

對其離散化可得數(shù)字Smith預(yù)測控制器：

3.4系統(tǒng)仿真及驗(yàn)證

接下來通過用純PID與PID和Simth預(yù)估的控制相結(jié)合兩種控制方式對比控制效果。取，用Simulink建立仿真，如圖3和圖4所示，其控制效果如圖5和圖6所示。

圖3　PID控制系統(tǒng)框圖

圖4　PID與Smith結(jié)合的控制系統(tǒng)框圖

圖5　PID控制效果圖

圖6　PID與Smith預(yù)測相結(jié)合的控制效果圖

由圖5和圖6可知，Smith預(yù)估控制會使得溫度調(diào)節(jié)超調(diào)量小，且調(diào)節(jié)時(shí)間比純PID調(diào)節(jié)短，改善了動態(tài)性能。通過實(shí)際案例分析，學(xué)生充分參與思考、分析、討論等活動，對所學(xué)知識清晰的認(rèn)識，加深了對理論知識的理解并學(xué)習(xí)致用。

4　結(jié)語

通過實(shí)際案例的講授，使學(xué)生了解所學(xué)理論知識到底有什么用，用在哪，怎么用，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。這種基于案例的教學(xué)方法采用課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方法，理論與實(shí)際，將實(shí)際應(yīng)用與課程理論教學(xué)緊密聯(lián)系在一起。 實(shí)踐表明，通過案例教學(xué)的改革實(shí)踐，不但加深了對設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)內(nèi)容的理解，而且提高了學(xué)生的興趣、自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

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劉學(xué)良（1983-），男，湖南祁陽人，博士，東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院講師，研究方向：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器與檢測技術(shù)方面的教學(xué)與教改。

作者簡介：