機電專業“計算機控制技術”課程改革探索

李啟光?姚小敏?朱春梅?祁志生?王會香

摘要：針對機電專業在“計算機控制技術”課程教學中的一些問題，以加強機電專業運用系統與課程銜接為手段，從教學體系規劃、教學內容遴選、教學實踐環境規劃建設等方面進行調整，力圖使“計算機控制技術”課程面向機電專業，培養出滿足專業需求和具有實踐能力的學生。

關鍵詞：PLC技術；計算機控制技術；機電專業

作者簡介：李啟光（1970-），男，江蘇贛榆人，北京信息科技大學機電工程學院，副教授。（北京 100192）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0105-02

計算機控制系統是以計算機為核心實現生產過程自動控制的系統。隨著工業技術的發展和生產自動化程度的不斷提高，計算機控制技術得到了越來越廣泛的應用。“計算機控制技術”融合了計算機技術、自動控制理論和計算機通信技術，是新發展起來的理論性和實踐性很強的一門交叉學科。它實際上包含著兩部分內容：一是計算機控制理論基礎，主要涉及離散控制基礎理論；二是實現技術，主要包括通道接口技術、現場總線、人機界面等系統實現技術。課程涉及面很廣、知識集成度高，是高等學校自動化、電氣工程和機械電子工程等專業的一門重要的專業主干課程。[1-3]

一、“計算機控制技術”課程現狀

“計算機控制技術”是一門跨學科專業課程，涵蓋內容豐富，但由于各專業的要求不同，課程針對不同專業的側重內容應有區別，這樣才能達到各專業的培養目的。

目前多數高校選用課程教材內容主要是數字濾波、數字 PID、最少拍無差系統、Simth算法和達林算法、模糊控制、神經網絡等內容，這部分是建立在一整套完整控制理論基礎上的。[4]此外還包括接口技術、現場總線、人機界面等偏重于應用的內容。自動控制等專業培養目標側重于設計計算機實現控制算法、編制適用于工業控制系統的硬件及接口設計、控制軟件，選用此類編排內容的教材比較適用。而機械電子專業方向，機電專業以裝備及其控制系統為主要研究對象，課程以了解與掌握計算機控制系統在裝備控制中應用為其主要目的，選用此類教材不能體現專業側重點。同時機電專業有自己的專業設置要求以及本專業特有的先修基礎課程，與自控類專業有極大的不同，因此如何根據機電專業自身的專業特點確定理論教學內容及其深度，調整好計算機控制系統的理論及應用技術的關系，是目前機電專業“計算機控制技術”課程教學要解決的首要問題。

因此，在教學實踐過程中，應以控制系統應用技術為基礎，理論教學的內容和深度以應用內容的需求為標尺，使理論教學內容能夠支撐且覆蓋該課程涉及的主要技術，使理論教學的深度能與機電專業學生的實際水平及今后的就業需求相符合，同時還要與當前的技術發展水平和趨勢相適應，具有一定的前瞻性。

二、機電專業“計算機控制技術”教學內容改革

1.機電特色的控制類課程教學體系調整

面向機電專業的“計算機控制技術”課程應從裝備控制應用角度出發，密切結合裝備自動化需求組織教學內容。

根據以上原則，在教學中提出將運動控制卡和工業PLC作為計算機控制技術理論與運用結合的載體。一方面在課程開始之前，需要保障學生已掌握先修部分專業應用技術知識，尤其考慮到工業PLC、運動控制器是機電專業常用、最典型控制應用系統，課程內容可與此結合，將工業PLC、運動控制器的應用作為教學案例使用。先修課程包括“電工電子學”、“機械控制工程”、“單片機原理”、“數控技術”、“PLC 原理與應用”等專業課程，其中鑒于“數控技術”課程目前涉及均為封閉式數控系統，因此在課堂上需要補充介紹機電控制中使用面廣、開放式的運動控制器（卡）。

另一方面，課程以先修課程中所涉及的、與計算機相關的數字處理與控制技術為主要授課內容，重點介紹數字化后信號處理、數字控制理論及其實現，并通過各個理論教學環節與先修機電控制運用技術緊密結合，實現硬件和軟件結合、控制原理和典型應用控制器結合，貫徹理論聯系實際的方針，并將先修課程有關方面的知識有機集成在一個完整的機電控制系統內，使學生從整體上系統地掌握數字控制器的機電應用技術。

“計算機控制技術”強調理論、技術與實際應用相結合，理論與實踐并重，綜合性較強、強調應用，因此在課堂教學與課程實驗的基礎上，應增加機電綜合實踐環節，并鼓勵學生參加其他開放實驗以及科研項目，綜合應用所學知識，鞏固教學效果。項目選題從工程應用角度出發密切結合裝備自動化實踐。

2.機電專業特色的課程內容設定

在原有教學內容體系基礎上，針對機電專業控制理論基礎薄弱、專業需求有別的狀況，對教學內容作一系列的重新規劃及調整。強調教學內容緊密聯系機電傳動控制實際需求，優化知識結構、充實機電控制的實例，做到理論和實踐運用的對應與相互關聯。

對于機械電子專業，擬定的主要教學內容大致如下：

（1）輸入/輸出通道接口技術。這部分內容在“電工電子學”和“單片機原理”課程軟硬件基礎知識上，以單片機、PLC、運動控制卡上典型常用的接口硬件，如A/D、D/A、通訊口、觸摸屏、開關量輸入輸出接口等為例子介紹工作原理、使用方法和技術細節問題。

通過與實際應用系統關聯認知，學生對輸入/輸出通道接口設計及技術參數選取建立感性了解，使用中就可以通過查閱樣本資料掌握其他類似通用硬件的使用。

（2）數字控制器的設計。在已講授控制理論基礎知識上，這部分主要講解數字 PID 算法及參數整定、最少拍控制算法、模糊控制等，重點是機電系統過程控制和運動控制中廣泛應用的PID控制算法。充分利用PLC系統提供的PID控制指令和運動控制卡軸控開放式接口和整定功能學習了解不同算法性能參數比對。

（3）總線技術與人際界面。在學習通訊網絡基本知識基礎上，以所學PLC、運動控制卡型號兼容的現場總線網絡和HMI為練習和運用對象，掌握運用總線技術實現控制器以及HMI的集成技術。

（4）計算機控制系統的設計。主要學習如何從設計需求搭建機電控制系統，包括器件選型、控制器設計、接口制作到程序設計。設計案例選擇機電系統中最典型的閉環運動控制系統，從裝置的傳動精度和運動快速性需求出發，學習設計選用運動控制器、反饋、驅動系統以及控制算法。此外，抗干擾技術是計算機控制系統必須要注意的一個重要事項，抗干擾技術包括光電隔離、濾波、屏蔽、接地、看門狗等方面，它決定了機電系統的可靠性。

三、機電專業“計算機控制技術”實踐教學內容改革

機電專業選修“計算機控制技術”立足于控制系統的機電工程運用，完成課程后學生應當具有機電系統的綜合實踐能力。根據整合的教學內容，以運動控制卡和工業PLC為運用載體，規劃開發了課內實驗。

針對機電傳動控制的實際運用，規劃了基于總線網絡的工業生產線PLC控制系統、基于組態軟件的溫度監控系統兩個課內實驗，在這兩個實驗中，實驗內容涵蓋教學的基本內容，包括控制邏輯、網絡總線組態、接口技術、PID整定以及HMI二次開發運用，圖1為實驗中PLC控制拓撲圖。

考慮到課時限制，大部分拓展運用內容均規劃在綜合實驗、開放實驗內。根據學生基礎和興趣不同，已開發開環運動控制系統（步進）、倉儲管理系統、太陽能跟蹤控制系統等實驗項目。同時調整機電綜合實踐環節，提高運動控制實踐比重，規劃建設了兩軸輪廓運動與張力控制綜合實驗平臺（見圖2），實驗與設計任務包括伺服系統閉環PID整定、控制卡軸控檢測反饋、單軸運動位置與速度閉環控制、兩軸輪廓運動控制等，學有余力的同學，還可以進行力閉環控制算法設計。

規劃強調實踐教學內容與工程實際的緊密結合，在硬件平臺建設和題目設計規劃方面與機電行業發展息息相關，例如針對機電系統中典型運動與力控制需求而規劃的實訓平臺。這樣既讓學生與社會無縫對接，又可以提高學習的積極性，有利于學生對該專業的理解和能力的培養。同時實驗規劃也注重綜合性和系統性要求，實驗內容設計成模塊式體系結構，既可以單獨訓練也可體現各專業內容存在的關聯性。使相互耦合的課程整合集成以解決原有各門課程自成體系，對象單一與知識零碎割裂、不能有機聯系和綜合應用的弊端。圍繞綜合實訓平臺，各模塊最終體現在一個完整的機電系統設計過程中。

實踐教學內容改革也力圖體現出漸進性、階段性和層次性，尊重學生個性差異。例如基于總線網絡的工業生產線PLC系統實驗訓練可選擇不同規模和難度的實驗項目，如從兩個PLC間基本通訊到一主多從網絡化；從系統內置PPI網絡到PROFIBUS現場總線網絡。控制實驗項目從簡單邏輯、開環運動控制到復雜的溫度、運動及力閉環控制。

四、總結

通過北京信息科技大學的教學實踐表明，通過把典型的機電運用案例融入教學內容后，學生綜合運用知識的能力有所增強，視野得到拓展，機電控制系統的整體觀念得到明顯改善。通過合理規劃面向機電需求的綜合實驗平臺，把各個環節協調一致，使學生更清晰感到課程的實際運用，學習積極性得到了進一步的發揮。

經過教學內容和實驗內容改革與建設，“計算機控制技術”課程教學取得了良好的效果，做到了理論、技術與實際應用的有機結合，突出了機電專業方向的特色。

參考文獻：

[1]陳桂，陸鋒，宋麗蓉.計算機控制技術課程教學改革研究與實踐[J].中國現代教育裝備，2009，（3）.

[2]干開峰，王俊，丁健.計算機控制技術課程實驗教學綜述和探索[J].科技視界，2012，（17）.

[3]輔小榮.計算機控制技術課程實踐教學探索[J].中國現代教育裝備，2011，（9）.

[4]申曉寧.計算機控制技術課程設計的改革與探索 [J].中國電力教育，2010，（27）.

（責任編輯：宋秀麗）