融合交通信息特色的計控仿真實驗教學探討與實踐

摘要：計算機控制技術作為電氣信息類專業的一門主要專業課，對于培養學生的控制理論與技術應用能力有著重要作用，在分析計算機控制技術課程特點的基礎上，著眼于提高學生的交通信息專業應用和實踐動手能力，將實驗教學過程中的理論分析、仿真測試等諸多環節有機結合，對計控仿真實驗教學方法開展了研究探討和教學實踐，在優化交通信息類電子信息工程實踐能力方面進行了有益的嘗試。

關鍵詞：計算機控制技術；實驗教學；仿真

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）03-0222-02

一、引言

隨著計算機和自動化技術的飛速發展，融合了計算機技術和控制理論的計算機控制技術被廣泛應用在各種工業生產過程、交通信息等諸多領域，在國內很多電子信息工程專業的教學培養計劃中都增設了《計算機控制技術》作為主要專業課程，以培養和提高學生行業應用能力。

交通行業院校的電子信息工程專業主要培養具備交通信息領域電子技術和信息系統的基礎知識，能從事各類交通信息領域電子設備和信息系統的研究、設計、制造、應用和開發的應用性技術人才。結合交通類電子信息工程專業的特點，開展《計算機控制技術》課程實驗教學方法的研究、探索和實踐，對于提高本行業學生的實踐能力是十分必要的。

二、課程特點

《計算機控制技術》課程針對不同被控對象和系統性能指標要求，學習數字控制器設計等重要應用性技術，實現對生產現場的計算機檢測和控制過程。從教學目的、教學內容和教學手段而言，該門課程具有如下幾個典型特點：①概念抽象，理論性強：計算機控制技術的發展日新月異，教學內容涉及諸如采樣、數字控制器設計等各種概念，若僅僅只從課堂上理論學習，容易形成名詞堆砌，教學流于空泛。②多學科交叉，系統性強：課程覆蓋信號處理、硬件等多個學科領域，在構成一個完整計算機控制系統時又互有交叉，對理論性知識的全面性和系統性要求較高。③實驗學時少，動手能力差：該門課程涵蓋內容較多，實驗學時不可避免地受到壓縮，原有實驗課程也大都以演示性為主，綜合性和設計性實驗所占比例很小，對于提高學生的實踐動手能力所起的作用有限。

三、實驗教學方法探討和實踐

針對計算機控制技術課程的上述特點，從培養和提高計算機控制系統設計和開發能力出發，對該課程實驗教學環節進行了必要的理論探討和教學實踐。

1.實驗教學原則修訂。實驗教學環節作為教學重要組成部分，力圖通過一系列硬件和軟件實驗，使學生加深對課堂教學內容的理解和掌握，在實踐中需要對實驗教學原則和內容進行了調整。①是考慮到交通信息類電子信息工程專業學生的特點，在模電、數電、接口技術等前導課程中，已接觸和積累了較多硬件知識，實驗教學應側重于交通信息領域的數字PID控制算法、最少拍控制算法等控制技術、軟件實現方面。②是對于諸如采樣過程、Z變換、控制系統指標等基礎理論重復性環節，在實驗環節中應該突出重點強調如何從交通信息領域內計算機控制技術角度上進行分析和理解，如對A/D環節講授中，重點在于分析交通信息領域的計算機控制系統A／D器件、數學仿真模型等方面。③是要強調實驗的應用過程性調試特點，控制學科的絕大多數理論知識背景都涉及較多的數學概念、理論和公式推導，如差分方程模型，穩定性判據等，對于交通信息類電子信息工程專業而言，實驗教學環節應弱化數學公式推導過程，強調控制技術的應用過程性調試特點。

2.實驗教學應用性層次設置。在計算機控制技術實驗室，共配備了30套江蘇啟東計算機廠的DVCC-ZK2實驗箱，輔以其他交通實驗裝置，在16個學時的實驗內容安排上，把實驗體系分為三個層次：驗證性實驗，綜合性實驗、設計性實驗，減少驗證性實驗，增設了綜合性實驗和設計性實驗，實驗安排項目如表1所示。

表1 實驗項目表

實驗內容安排突出了綜合性和設計性實驗，驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗的比例為2：1：1。如電動小車調速控制綜合性實驗，通過對電動小車計算機控制系統的電動機速度控制、方向控制等綜合性實驗過程，可進一步實踐測試交通工具的控制技術；交通控制系統建模和仿真設計性實驗則針對一個磁懸浮系統，學生可通過數學建模、控制器設置等完成計算機控制系統的設計過程，很好地學習和體會一個計算機控制系統的設計全過程。

3.控制技術仿真方法。對于某個控制系統或算法而言，不同控制參數對于計算機控制系統作用是不一樣的，手工繪制控制曲線，時間長而且不準確。隨著各類仿真軟件發展，帶控制工具箱的Matlab仿真軟件，可方便地完成復雜數學計算及圖形繪制。

如在分析電動小車調速控制中的數字PID的控制作用時，對于典型PI控制系統結構，具體參數為：

T=0.1s，G0（s）=■，D（z）=■

進入MATLAB界面后，在命令窗口中鍵入“Simulink”，回車后打開名為Simulink Library Browser模塊庫瀏覽器，選擇各環節模型，建立該控制系統的Simulink仿真模型如圖1所示：

圖1 Simulink仿真模型圖

在分析控制算法表達式中比例系數KP、積分系數Ki各自不同作用時，借助于matlab軟件仿真技術，可非常方便地做動態演示。當比例參數為Kp=1，積分參數Ki分別為0.05、0.15和0.35時，利用所建立的Simulink仿真模型，在計算機上得到的控制系統輸出仿真曲線如圖2所示。

圖2 PI控制輸出仿真曲線圖

結合該仿真圖形，可將講解重點放在Ki參數變化、輸出曲線差異和控制系統性能優劣上，將抽象的數字作用轉化為實在的可視圖像，可極大地加深學生對Ki參數等教學內容的理解，同時掌握利用計算機進行控制系統設計分析的方法。

4.教學效果分析。學生的實驗學習效果采用實驗報告分析、現場實驗測試等多種形式結合的考核方式，通過對電子信息工程專業2009和2010年《計算機控制技術》課程實驗考查結果分析，兩年內各分數段的比例統計見圖3。

圖3 實驗考核統計圖

兩年內共有2個年級共計152人參加考試，實驗報告成績所占比例為40％，現場測試實驗成績占50%，平時考勤占10％，實驗及格人數122人，及格率為80.26％，實驗成績趨近于“中間高，兩側低，左右對稱”為特點的正態分布，達到了預期的實驗教學效果。

四、結束語

在《計算機控制技術》實驗教學培養體系建設中，充分考慮了交通類和課程特點，開展了實驗教學環節的內容與方法的研究，注重先進教學方法的合理運用，有效提高了學生的理論分析和動手實踐能力，達到了實驗教學培養目標要求。

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作者簡介：李偉（1976-），男，四川自貢人，研究生，副教授，主要研究方向：控制技術與控制工程。