譚興國

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454003）

以工程案例開發(fā)推進微機控制技術(shù)課程改革

譚興國

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454003）

針對目前教學(xué)課程中各環(huán)節(jié)知識聯(lián)系學(xué)習(xí)不夠、實踐教學(xué)資源不足、理論教學(xué)與科研工程應(yīng)用脫節(jié)的問題，該文在實際工程案例的原型基礎(chǔ)上，開展了通過系列案例教學(xué)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的課程教學(xué)改革探索。以開發(fā)新型案例教學(xué)為契機，設(shè)計了以恒壓供水控制系統(tǒng)工程應(yīng)用為核心的教學(xué)案例，對教學(xué)內(nèi)容和實踐環(huán)節(jié)進行了改革探索。實踐提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時開放的控制系統(tǒng)也提高了學(xué)生自主和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力。

案例設(shè)計；恒壓供水控制系統(tǒng)；微機控制技術(shù)；PID教學(xué)

微機控制技術(shù)是電氣信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，課程重在面向工程應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容注重實踐性和綜合性［1-2］。

1）綜合性強，要求教師的綜合素質(zhì)高。

隨著微型計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，微機控制技術(shù)融合了各學(xué)科的技術(shù)特點，結(jié)合了單片機技術(shù)、可編程控制、傳感檢測技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、自動控制理論等多門學(xué)科，融匯成一門綜合性技術(shù)學(xué)科［3］。課程的綜合性較強，同一個問題可以采用多種不同的解決方案，且課程內(nèi)容的更新速度和知識變化較快，對教師的綜合素質(zhì)要求較高。

2）課程的教學(xué)內(nèi)容較多，強調(diào)知識的綜合應(yīng)用。

微機控制技術(shù)課程的主要內(nèi)容包括接口技術(shù)、檢測與控制通道、常用控制算法、系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。通過前期課程學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的基本知識，但仍然缺乏面對工程需求，將各類知識綜合應(yīng)用，進而形成合理的控制方案的本領(lǐng)［4］。因此教師在理論知識和實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)過程中，應(yīng)注意強調(diào)工程應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)性特點，以項目為契機，將各單元知識串聯(lián)起來，培養(yǎng)學(xué)習(xí)思考問題，應(yīng)用所需知識系統(tǒng)解決問題的能力［5］。

3）課程的實踐特征突出，理論與實踐聯(lián)系緊密。

微機控制技術(shù)主要以各種類型的微型計算機為核心，通過實時檢測工業(yè)現(xiàn)場的各類狀態(tài)參量和信號，在自動控制原理等先進理論和算法的支持下，對工業(yè)對象實施智能控制。因此課程教學(xué)面向工業(yè)現(xiàn)場，實踐特征突出。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境多種多樣，在控制的過程中，還需要將各類算法，如pID算法、大林算法、最少拍控制算法等理論知識與實際的工業(yè)對象緊密結(jié)合，才能完成設(shè)計需求。將理論與實際算法怎么才能有機結(jié)合，是學(xué)生感到比較困難的地方，需要在教學(xué)過程中予以合理的引導(dǎo)［6-7］。

1 微控課程的教學(xué)改革要求

從以上的分析可以看出，微機類課程的教學(xué)理論與實踐結(jié)合較為緊密。隨著當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與改革，課程的教學(xué)課時相對在減少，實驗學(xué)時更短。如何在有效的學(xué)時內(nèi)，提高學(xué)生的動手能力、理論與實踐相結(jié)合的能力以及綜合應(yīng)用、創(chuàng)新開發(fā)的能力，是本文探討的課題。

把微機應(yīng)用領(lǐng)域相應(yīng)的科研工程項目轉(zhuǎn)化為教學(xué)實用案例是促進微機控制技術(shù)實驗教學(xué)改革的重要措施［8-9］。課程的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)重點考慮信號測量、輸出控制、計算機控制算法、程序設(shè)計、系統(tǒng)組成等。我們開發(fā)了水塔水位控制系統(tǒng)、PID閉環(huán)恒壓供水裝置、啤酒灌裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)等教學(xué)案例，并嘗試將案例裝置小型化，進而直接進課堂，體現(xiàn)微型計算機技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài)，更加注重實驗內(nèi)容的豐富性、系統(tǒng)性和科學(xué)性。改變過去以演示和驗證為主要特征的單一教學(xué)方法，增加了師生互動環(huán)節(jié)，有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并提出多種不同的實驗方案，極大地促進了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 恒壓供水系統(tǒng)教學(xué)案例設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

閉環(huán)恒壓控制在生活中應(yīng)用廣泛，此案例來自我們承擔(dān)的農(nóng)村水廠恒壓供水控制系統(tǒng)項目。為使該案例更適合課程教學(xué)的需要，需對水廠控制系統(tǒng)的項目實施了簡化和改進，以更好地滿足課堂教學(xué)的需求。如將水廠的交流變頻加壓泵，改變?yōu)椴捎肞WM控制的直流加壓泵，更便于學(xué)生理解輸出驅(qū)動方式。

該項目的主要組成如圖1所示。該恒壓控制系統(tǒng)主要由STM32微處理器組成的主控單元、電機驅(qū)動系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、壓力變送系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等部分構(gòu)成。壓力變送系統(tǒng)實時檢測水管管道壓力，壓力變送系統(tǒng)由壓力傳感器和信號變送兩部分組成，負(fù)責(zé)將壓強信號變換成電壓信號。其中壓力變送器采用基于MEMS技術(shù)的MD-PSG010S壓力傳感器，在5 V激勵電壓1 mA激勵電流下，該傳感器將0～40 kPa范圍的壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)換成0～65 mV的電信號。由于MD-PSG010S壓力傳感器是利用惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)壓力量到電壓量的轉(zhuǎn)變并且輸出的信號較弱，這就要求放大電路具有較高的共模抑制比和高增益，為此采用由3個MAXIM OP07組成的差動輸入儀表放大電路，最終輸出0～3.3V的模擬電壓，再送入STM32的ADC模塊，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量。這里沒有采用集成數(shù)字壓力變送器，目的是與課程中的I/O接口電路內(nèi)容相對應(yīng)。

圖1 閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)組成

中央處理芯片使用PID控制算法，根據(jù)水壓預(yù)設(shè)值和水壓變送系統(tǒng)測量的實時水壓數(shù)據(jù)進行算法處理，產(chǎn)生驅(qū)動pWM信號。為了使輸出壓力可控，本系統(tǒng)增加了加壓設(shè)備，加壓設(shè)備選用微型齒輪泵。增壓部件采用減速增矩的結(jié)構(gòu)，采用DC12 V直流有刷電機驅(qū)動，具有小體積高壓力的特點。由于控制系統(tǒng)CPU無法直接驅(qū)動增壓設(shè)備中的直流電機，在單片機pWM輸出與直流電機之間增加由L298N芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路，可滿足加壓設(shè)備12 V的額定電壓，1.2 A的最大電流的驅(qū)動要求。加壓設(shè)備在驅(qū)動電機控制下，穩(wěn)定供水系統(tǒng)的水壓，此部分是硬件設(shè)計的核心。

系統(tǒng)的人機交互系統(tǒng)主要采用TFT320X240 LCD液晶屏，使用CPU的FSMC功能提高刷新速度，數(shù)據(jù)的更改和界面的顯示使用UCGUI圖像顯示系統(tǒng)，能夠方便、直觀、實時地顯示系統(tǒng)工作情況。

以上幾部分內(nèi)容以模塊化的形式呈現(xiàn)，分別對應(yīng)著微機控制技術(shù)中的信號采集與變送、輸入與輸出接口技術(shù)、人機交互技術(shù)、上下位機通信技術(shù)、輸出變送技術(shù)、閉環(huán)PID運算、軟件編程技術(shù)。由于是模塊化的設(shè)計思路，每種模塊都可以采用不同的思路實現(xiàn)。如控制器可采用單片機、PLC、微型計算機等，壓力變送器可以采用數(shù)字式、模擬變送式等，從而開拓學(xué)生的思路和創(chuàng)新能力。

2.2 工程案例在教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

2.2.1 根據(jù)學(xué)科發(fā)展動態(tài)設(shè)計實驗教程

在壓力檢測和變送環(huán)節(jié)中，教師不局限于常規(guī)的教學(xué)和實驗內(nèi)容，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生了解傳感器發(fā)展的最新前沿動態(tài)，鼓勵學(xué)生查找資料，自己設(shè)計壓力檢測和變送方案。學(xué)生提出了很多種檢測手段，如4～20 mA壓力變送處理方案、數(shù)字量輸出的壓力變送方案、毫安級輸出電壓變送加儀表放大器處理方案等。極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，既提高了學(xué)生檢索文獻和整理文獻的能力，又提升了學(xué)生的動手能力。

2.2.2 以學(xué)生為主的引導(dǎo)教學(xué)方法

應(yīng)注重教學(xué)過程中的引導(dǎo)，并給予學(xué)生思考的空間。如數(shù)字PID控制過程中，學(xué)生對PID運算中的比例系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ti和微分時間Td對系統(tǒng)的影響作用難以準(zhǔn)確理解，教學(xué)過程中可以讓學(xué)生充分討論、布置仿真任務(wù)，通過Matlab等軟件模擬這些參數(shù)的影響，先對系統(tǒng)有定性的理解，再通過實驗的方法分析各參數(shù)的影響因素。整個實驗過程中，應(yīng)盡量突出學(xué)生的主體地位，充分發(fā)揮其積極性。學(xué)生基于該案例實測的單純比例系數(shù)Kp作用下的輸出壓力控制效果，如圖2所示。設(shè)定壓力對應(yīng)著數(shù)字量1 000，波動曲線為實測壓力變化。

圖2 純比例下有靜差震蕩的調(diào)試界面

圖3 減小Kp下震蕩消失過程

比例系數(shù)在PID控制中的作用舉足輕重，一般增大比例系數(shù)，將加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，在有靜差控制中，有利于減小靜差，但不能根本消除靜差，且過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩［10］。為了描述這種情況，恒壓供水控制器采用有靜差的純比例p控制方式，圖2中即描述了當(dāng)比例系數(shù)過大時引起的系統(tǒng)振蕩情況。圖3分析了隨著比例系數(shù)的減小，系統(tǒng)振蕩消失，但仍將存在穩(wěn)態(tài)誤差的情形，且Kp越小，穩(wěn)態(tài)誤差越大。

PID控制中的積分環(huán)節(jié)卻能起到消除系統(tǒng)靜差的作用。圖4為增加適合的積分系數(shù)后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消失的控制過程。通過直觀的現(xiàn)象，學(xué)生更容易理解積分環(huán)節(jié)的作用。在此基礎(chǔ)上，可以進一步測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，獲取系統(tǒng)參數(shù)，或者采用試湊法得到PID控制的其他參數(shù)。如圖5所示，為加入微分環(huán)節(jié)后，面對系統(tǒng)給定突變的擾動，PID控制器都可以很快地跟蹤并予以響應(yīng)，學(xué)生可更好地理解微分所起到的改善動態(tài)性能的效果。

圖4 增加積分環(huán)節(jié)的控制效果

圖5 加入微分環(huán)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)性能測試

將此案例在PID理論講解的同時予以演示，可以很好地將理論與實踐相結(jié)合，對學(xué)生掌握相對抽象的理論與實際系統(tǒng)相結(jié)合，起到了良好的教學(xué)效果。

2.2.3 鼓勵案例的創(chuàng)新二次開發(fā)

以工程案例開發(fā)教學(xué)案例，還應(yīng)該考慮一定的拓展性。如本例中，對于系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，最初是采用鍵盤實現(xiàn)的。而采用觸屏交互式操作的效果，則是學(xué)生在案例實驗過程中，自行進行創(chuàng)新二次開發(fā)設(shè)計的。針對該閉環(huán)系統(tǒng)，除了PID閉環(huán)控制方法外，由于壓力控制可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，還可以采用大林算法、最少拍系統(tǒng)，甚至智能控制領(lǐng)域中的模糊控制方法。在此實驗裝置基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生應(yīng)用新型算法，并予以額外加分獎勵，對于學(xué)有余力的學(xué)生，也是一種較好的激勵。學(xué)生以此為契機，參加大學(xué)生科研創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，取得了較好的成績。

2.2.4 注意案例開發(fā)過程中的教師引導(dǎo)

在工程案例開發(fā)過程中，一定要注意教師自身的素質(zhì)提升及引導(dǎo)作用。由于實際工程案例較為復(fù)雜，涉及的知識點較多，教師在講述案例之前，應(yīng)先行介紹項目需求及相關(guān)背景知識，將項目按照課程教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)分解成若干個子項目或模塊。對于學(xué)生不曾接觸過的知識可以適當(dāng)補充或者引導(dǎo)學(xué)生查找資料。在案例進行實驗的過程中，對學(xué)生進行合理分組，并制定計劃，提出合適的考核目標(biāo)和考核方法，使工程案例發(fā)揮其最大效用。

3 結(jié)束語

將實踐工程項目引入微機控制技術(shù)的教學(xué)案例進程中，促進理論與實踐的有效結(jié)合，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善理論知識和實踐教學(xué)的效果。案例引入，既將實際工程的最新發(fā)展動態(tài)介紹給了學(xué)生，又使學(xué)生更加深入地了解實際工程需求，對于專業(yè)知識也有更深的理解，有助于學(xué)生更好地適應(yīng)未來的工作要求。版社，2010.

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［3］劉勇，蔣祥龍，段莉.微機控制技術(shù)教學(xué)探討［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）:108.

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Computer Control Technology Curriculum Reform Promoted by Projects Case

TAN Xingguo
（College of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）

Computer control technology curriculum has strong practical and theoretical features，but in view of current teaching，it has many problems，such as knowledge link between different phases is not tight enough，lack of practice teaching resources，disconnection of theory teaching and research in engineering application.To solve these problems，based on practical engineering case prototype，this paper tried to carry out a series of case teaching reform so as to train high-quality applied talents.Based on a novel real project case，we designed a MCU based water supply control system as a teaching resource.Using this computer control system，we tried to reform the contents and practice technology in computer control technology curriculums，so as to improve students’interest in learning，while this open-source control system also helps to improve the students’independent learning ability and innovation ability.

case design；water supply system；microcomputer control technology；PID teaching

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.039

2015-06-22；修改日期：2015-12-28

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510460053）；河南理工大學(xué)“微機應(yīng)用與控制教學(xué)團隊”建設(shè)項目（20144401）。

譚興國（1981-），男，博士，講師，主要從事智能控制技術(shù)、電力電子與功率變換等方面的工作。