電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)方法研究

摘 要 針對(duì)電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，以及應(yīng)用型本科生的培養(yǎng)目標(biāo)，提出計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程有效可行的教學(xué)方法，包括理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生理論學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和實(shí)際動(dòng)手能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 電氣工程及自動(dòng)化；計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；教學(xué)方法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-489X(2011)24-0054-02

Study on Teaching Methods of Computer Control System Course for Electrical Engineering and Automation//Sun Xiaojuan

Abstract Aiming at the characteristic of electrical engineering and automation， and training aim of applied graduate students， the paper puts forward effective measures， including theoretic and experimental teaching method， and stimulats learners’ interests， training students’ creative thinking abilities and hands-on ability， improving teaching quality.

Key words electrical engineering and automation; computer control system; teaching method; experimental teaching

Author’s address Dept. Electronics Elect. Engn.， Baoji Univ. Arts Sci.， Baoji， Shannxi， China 721006

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是工科自動(dòng)化及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程之一。課程融計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電子、通信技術(shù)于一體，又融理論、技術(shù)、方法、工程實(shí)現(xiàn)于一體，使學(xué)生在自動(dòng)控制原理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，具有搭建一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，具備設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試一個(gè)工程的能力。為了適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代需要的建設(shè)性人才，課程教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的研究就顯得尤為重要。根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)，結(jié)合目前計(jì)算機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域最新技術(shù)，提出本課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和手段，使學(xué)生將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程，提高本課程的實(shí)用性和實(shí)踐性。教學(xué)實(shí)踐表明，本課程教學(xué)方法是行之有效的，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

1 電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)以及培養(yǎng)目標(biāo)

1.1 電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)

電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)主要學(xué)習(xí)電工電子、信息控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的課程。學(xué)生將在控制與生產(chǎn)自動(dòng)化、自動(dòng)控制與自動(dòng)化軟件應(yīng)用方面獲得系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與研究的基本能力。強(qiáng)電為主、強(qiáng)弱電結(jié)合，電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，軟件與硬件相結(jié)合，元件與系統(tǒng)相結(jié)合，所培養(yǎng)的學(xué)生系統(tǒng)觀念強(qiáng)，基礎(chǔ)知識(shí)寬厚，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1.2 電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展，知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)進(jìn)步，能夠從事與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行、自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、信息處理、試驗(yàn)分析、研制開(kāi)發(fā)、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域工作的“高素質(zhì)、強(qiáng)能力、應(yīng)用型”高級(jí)工程技術(shù)人才。所謂的面向應(yīng)用或者應(yīng)用型本科的教學(xué)定位，就是以適應(yīng)社會(huì)需要尤其是生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)等第一線需要為目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力為重點(diǎn)，因此更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決生產(chǎn)一線問(wèn)題的能力。

2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程內(nèi)容特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是自動(dòng)化、電氣工程及自動(dòng)化、電子信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)本科生必修的主干專(zhuān)業(yè)課程，在電類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方面具有非常重要的地位。該課程主要討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件技術(shù)、順序控制與數(shù)字程序控制、常規(guī)及復(fù)雜控制策略、現(xiàn)代控制策略、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件技術(shù)、集散型控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊及測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)，它主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。要求學(xué)生掌握基本的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析方法、軟硬件的設(shè)計(jì)、工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論與技術(shù)，受到較好的工程實(shí)踐基本訓(xùn)練，具有分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和研究計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本能力。

課程目標(biāo)：在使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本理論、硬件與軟件組成、傳統(tǒng)與現(xiàn)代控制算法、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)與調(diào)試運(yùn)行技能的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生建立工程觀、系統(tǒng)觀、集成觀，強(qiáng)化實(shí)踐技能，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)。

2.2 理論教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

1）改變傳統(tǒng)模式。傳統(tǒng)的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程教學(xué)主要使用Z80微型計(jì)算機(jī)為主要控制工具，也有使用MCS-51單片機(jī)為主控制器，這些都和實(shí)際應(yīng)用相差太遠(yuǎn)，實(shí)際應(yīng)用中主要是采用總線式計(jì)算機(jī)（PC總線或STD總線）工業(yè)控制機(jī)[1]。傳統(tǒng)教學(xué)方式都是按芯片——電路設(shè)計(jì)——模塊制作——系統(tǒng)安裝順序教學(xué)，而現(xiàn)代較多采用總線式工業(yè)控制機(jī)來(lái)組建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，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)合的新模式。新模式具有研究周期短、可維護(hù)性好、技術(shù)水平和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2）采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，加深學(xué)生基礎(chǔ)理論的理解。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仿真是根據(jù)真實(shí)系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)或?qū)嵨铩雽?shí)物，建造一個(gè)模擬系統(tǒng)，在模擬系統(tǒng)上進(jìn)行觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)和分析，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)、理解和控制真實(shí)系統(tǒng)的目的[2]。充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將一些學(xué)生無(wú)法建立的系統(tǒng)模型用計(jì)算機(jī)仿真的方法搭建，加深學(xué)生理解知識(shí)，努力提高學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。對(duì)于一些控制理論與算法的研究，進(jìn)行系統(tǒng)仿真更是必不可少的。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心就是數(shù)字調(diào)節(jié)器，下面以數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)方法的設(shè)計(jì)。

PID控制：調(diào)節(jié)器的輸出是其輸入的比例、積分和微分的函數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。其模擬表達(dá)式如式①：

將積分項(xiàng)和微分項(xiàng)離散化：

將②③式代入模擬表達(dá)式①中得到離散PID表達(dá)式：

式（4）中，KP為比例系數(shù)，TI為積分系數(shù)，TD為微分系數(shù)[3]。通過(guò)整定比例、積分、微分系數(shù)可以使控制系統(tǒng)達(dá)到理想的控制效果。設(shè)有一單位反饋系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)擴(kuò)充臨界比例度法，利用MATLAB設(shè)計(jì)PID控制器使系統(tǒng)穩(wěn)定。其仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以直觀得到：KP加大，將使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，響應(yīng)速度加快、偏大，衰減振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)；TI的作用有助于消除系統(tǒng)余差，提高系統(tǒng)的控制精度，但若TI太大，積分作用太弱，則不能減小穩(wěn)態(tài)誤差；TD微分時(shí)間常數(shù)的增加可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。

PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，采用MATLAB系統(tǒng)仿真分析，將控制規(guī)律全面、深入地演示，在課堂教學(xué)中可加深學(xué)生對(duì)各種控制規(guī)律的內(nèi)在意義的理解，使復(fù)雜的理論簡(jiǎn)單化。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)的關(guān)鍵，學(xué)生的動(dòng)手能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力都要在實(shí)驗(yàn)中獲得鍛煉，也在實(shí)驗(yàn)中得以體現(xiàn)。因此結(jié)合專(zhuān)業(yè)，以實(shí)際應(yīng)用為主，安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能看到該課程涉及的技術(shù)的應(yīng)用前景，體會(huì)到應(yīng)用該課程的知識(shí)解決具體工程技術(shù)問(wèn)題的樂(lè)趣，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

比如單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生理解溫度閉環(huán)控制的基本原理，了解溫度傳感器的使用方法，學(xué)習(xí)溫度PID控制參數(shù)的配置。該實(shí)驗(yàn)中溫度的驅(qū)動(dòng)部分采用直流15 V的驅(qū)動(dòng)電源，經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制后加到加熱器的兩端。溫度測(cè)量端（反饋端）采用鉑熱電阻溫度傳感器，采用PID控制算法控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，修改P、I、D的參數(shù)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)，并分析結(jié)果。

溫度控制的實(shí)驗(yàn)是與實(shí)際工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常貼近的，比如加熱爐溫度控制、溫室生產(chǎn)溫度控制、飛船船艙溫度控制等，這些溫度控制大都采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)于電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，這些行業(yè)也是其就業(yè)的方向，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)有利于學(xué)生了解實(shí)際生產(chǎn)，并能明確就業(yè)方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程具有理論性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、涉及知識(shí)面廣等特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)理論教學(xué)過(guò)程可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使復(fù)雜的理論簡(jiǎn)單化；與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，使學(xué)生了解工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，培養(yǎng)優(yōu)秀的應(yīng)用型本科畢業(yè)生，滿足社會(huì)發(fā)展需要。

參考文獻(xiàn)

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[2]李祥飛，張昌凡.“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探討[J].中國(guó)電力教育，2010(12):85-86

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文