“計算機控制系統”課程建設探索

摘要：“計算機控制系統”是自動化類專業的一門重要專業課，是培養實踐型與創新型人才的關鍵課程之一。通過分析南京郵電大學“計算機控制系統”課程本科教學的現狀和存在的問題，提出了一系列教學改革措施，從課程的教學內容、教學方法、教學手段、實踐教學和考核方式等方面來解決教學中存在的問題。

關鍵詞：計算機控制；教學改革；理論教學；實踐教學

作者簡介：程艷云（1974-），女，江蘇姜堰人，南京郵電大學自動化學院，副教授。（江蘇 南京 210023）

基金項目：本文系南京郵電大學教學改革項目（項目編號：JG00412JX56）的研究成果。

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）32-0103-02

“計算機控制系統”是自動化類專業的一門重要的專業基礎課。[1]通過該課程學習，使學生了解使用計算機進行工業控制的一般方法和過程，掌握計算機控制系統的硬件、軟件基礎知識和基本應用技術，從而使學生具有計算機控制系統理論知識和實際應用能力。由于“計算機控制系統”課程理論性較強，同時具有很強的實際應用背景，需要對該課程的課程建設進行探索。

一、“計算機控制系統”教學現狀分析

南京郵電大學在2011年之前開設的“計算機控制系統”一課是32學時。由于教學學時的限制，“計算機控制系統”主要講授離散控制系統的硬件實現，包括其最小系統實現、A/D、D/A變換、輸入輸出接口電路等。雖然本課程為學生打下了較堅實的硬件實現基礎，但學生在具體應用中很難將計算機控制理論與其硬件實現電路相聯系建立整體的系統概念。在2009年的教學大綱修訂計劃中，根據教育部新頒發的自動化專業課程設置要求，把原來依托在《自動控制原理》一課中的離散控制理論基礎部分放在《計算機控制系統》中講授，學時從32學時調整為48學時。“計算機控制系統”一課在2011～2012學年的第二學期已經依據48學時的授課計劃進行了一學期的教學授課。在實踐過程中發現，學生普遍反映該課和前續計算機類課程“微機原理及接口技術”、“C語言程序設計”和“單片機原理及應用”等重復較多。“微機原理及接口技術”和“C語言程序設計”負責傳授計算機硬、軟件基礎知識，培養硬、軟件初步設計能力。在此基礎上開設的“單片機原理與應用”課程，專門傳授嵌入式系統方面的知識。“計算機控制系統”課程則是針對自動化等專業領域的特殊需要，專門傳授計算機控制系統的分析和設計方法，培養在控制工程領域綜合應用計算機技術的能力。這種支撐和銜接關系應該在教學中得到充分體現，然而，每門課程獨自為政的教學體系導致這些課程之間的知識支撐作用和相互銜接關系在教學大綱、授課計劃和實際教學過程中均未得到充分體現，這就需要教師在課堂教學時進行合理的取舍。

“計算機控制系統”課程作為一門集控制理論與數字化實現為一體的課程，涉及內容廣泛。該課程主要涉及兩個領域：一個是離散控制理論，包括計算機控制系統的基本概念、采樣定理、離散控制系統的建模、分析與設計、數字化控制律的計算機實現。另一個是計算機控制系統的硬件實現，包括硬件組成、輸入輸出接口電路、硬件抗干擾技術和可靠性技術等。對于這門綜合程度高、實踐性強的課程，需要有效地開展實驗等實踐教學環節，使學生在實踐中更加深入地理解和消化理論知識，并初步具有獨立設計和調試計算機控制系統的能力，為后續的學習和工作奠定基礎。以前課內實驗的項目和內容設置為分立的驗證性和簡單的設計性實驗，依賴于成套的商品化實驗設備，使得實驗停留在要求學生按圖接線、記錄數據等認知性、驗證性實驗的層面上，在提升學生的動手能力、設計能力和創新能力方面作用有限。

另外“計算機控制系統”一課開設在大學三年級下學期，此階段的學生已經學習過大量的基礎和專業課程，面臨著繼續深造還是就業的兩難選擇，容易產生浮躁的心態，很難靜下心來認真學習。因此，教師需要采取多種手段來激發學生的學習興趣，如采用設計型實驗、展開興趣小組、參加科研課題以及參加競賽等手段，形成以學生為主體的自主學習模式。

二、理論教學方法改革和探索

1.教學內容的改革

“計算機控制技術”課程所涉及的內容極為豐富，大體上包含了計算機控制系統的硬件組成、控制算法和軟件實現等諸多方面。[2]目前，該課程所編制的教材和參考書種類眾多，但內容并不統一，基本可以分為偏重理論教學和偏重實際工程應用兩大類，有的偏重實際，但理論性不強；有的偏重理論，但應用不多。在實際教學中，根據學生的專業方向和教學的目的對教學內容進行適當的取舍是教師應該考慮的問題。在課堂教學中，首先應保證理論體系的完整性，并且要注重理論聯系實際。完全厚此薄彼，僅僅側重理論教學或只重視實際應用都無助于學生對知識的完整掌握。但這也不意味著在課程內容的選擇上眉毛胡子一把抓，把一切的內容都納入講授范圍。應該根據教學要求從硬件構成和理論基礎兩部分來進行講授。

在講述“計算機控制系統”接口電路時，涉及了一些與“微機原理及接口技術”和“單片機原理及應用”上述先修課程相重復的內容，如輸入輸出通道 A/D、D/A 轉換器的接口與編程方面的內容。在授課時強調對于控制系統領域，針對于被控對象有其自身的特點設計相對應的外圍電路。在講授計算機控制系統硬件實現時，沒有按照書上的章節授課，而是以實際溫度控制系統為例來說明計算機控制系統設計時應該考慮的因素，從而把書上關于硬件實現的知識點包括進來。舉例討論溫度測量環節的設計，分析如何根據系統性能指標的要求選擇相應的溫度傳感器，溫度傳感器和計算機之間如何實現信息交換，溫度傳感器測量的數據如何處理。討論溫度控制功率放大電路，書本介紹的功率驅動電路有哪些，有何特點和相對應的應用場合，如何根據計算機型號和被控對象的要求選擇合適的功率驅動電路，設計功率驅動電路需要考慮哪些問題等。通過對實際系統的分析設計，學生增加了興趣，同時對系統有了整體概念，知道系統設計時需要考慮哪些問題，從哪些方法著手，教學效果很好。在講授計算機控制理論實現時，目前教材普遍使用（AT89C51）組織教學，市場上主流的單片機除了8位的51、PIC、AVR 等，還有16位的MSP430、32位的ARM、AVR32、x86、PowerPC、68K等單片機。實際應用中，還出現了DSP（數字信號處理器）、FPGA/CPLD（現場可編程門陣列/復雜可編程邏輯器件）與單片機（MCU）以及嵌入式處理器相融合的趨勢。在課程教學中反映這些新技術和新產品，學生對它們的應用場合、特點和性能等有一定的理解。

2.教學方法的改革

在課堂教學中，以前的教學方式主要以借助PPT，授課老師按部就班地講授教學大綱中規定的內容，整個過程注重于知識的傳授，缺少和學生的互動，使得學生失去學習的興趣，制約了學生自主學習能力和解決實際問題能力的培養。特別是現在網絡很發達，很多學生上課的時候會利用手機瀏覽網頁或者玩游戲，如果老師對這樣的狀況不采取相應的教學手段，隨著課程的深入，這部分學生會因為覺得課程越來越難學而最終選擇放棄。[3]

在教學中鼓勵學生進行探究式學習，變被動學習為主動學習。對一些課程內容可以大膽讓學生上臺講授，在課前事先給學生進行分組，對不同組別分配不同的任務。下次課以學生作為主體，每組推舉代表上臺講述，組內同學可以補充，其他組的同學可以進行提問、分析和評論，老師在旁邊加以點評。從效果上來看，學生的積極性很高，不僅學會了使用網絡和圖書館的數字資源查詢資料，還通過閱讀大量的文獻對所學知識有了更進一步的認識和理解，對課程的學習興趣更加濃厚。同時引導學生對重要的知識點在課后通過查找資料等方式進行進一步的學習。

培養學生思考問題、解決問題的能力。如講述數字PID控制算法時，要求學生事先預習PID控制算法的計算機編程實現，理解積分算法和微分算法的改進，要求MATLAB編程實現各種改進算法。課內分組講述各種改進原因和改進算法，并仿真顯示改進結果。課堂氣氛良好，學生反應積極，理論分析和仿真實現相結合，加深了學生的理論基礎。

另外，上課時要注意調節課堂氣氛。該課程在教學上安排是連上三節課，在教學過程中發現，往往到了第三節課，學生就會出現疲倦、厭煩等情緒。這時可以安排一些有針對性的練習，使學生鞏固課堂上所學的知識，老師也能及時對學生課堂上的掌握程度有所了解。其次可以在課堂上針對課程的重點，采取板書、重復講述、提問等方式加深學生對教學重點和難點的理解。為了活躍課堂氣氛，還可以安排一些專業小故事、錄像、名師訪談等小片段調節課堂氣氛。針對大部分學生不理解的問題，要放慢授課速度，反復解釋，反復提問，直到所有同學理解為止。

三、實驗教學方法改革和探索

為了加深學生對課堂理論教學的理解，精心設置了以下實驗：

實驗一：計算機控制系統性能分析。該實驗要求學生通過MATLAB軟件仿真建立計算機控制系統的數學模型；掌握判別計算機控制系統穩定性的一般方法；觀察控制系統的時域響應，記錄其時域性能指標；掌握計算機控制系統時間響應分析的一般方法；掌握計算機控制系統頻率響應曲線的一般繪制方法。通過該實驗學生加深了書本上關于計算機控制系統數學建模、穩定性分析、時域性能分析和頻域性能分析這部分內容的理解。

實驗二：數字PID控制。由于 PID 控制具有原理簡單、參數整定和調節方便、應用場合廣泛等特點，在工業控制領域得到了廣泛的應用。理論課上，教師講授 P、I、D 各參數對控制系統性能的影響，PID 參數自整定的方法，數字PID控制算法的改進（例如：實際微分 PID 控制、防積分飽和 PID 控制、PID 控制的離散形式、各主要控制公司采用的 PID 控制方法）的設計和針對不同的控制硬件配置的實現方案等。對于該實驗，要求學生首先根據控制系統性能指標要求運用MATLAB軟件進行PID控制器參數整定，再把整定好的PID控制器運用到硬件實現的被控對象，理論和實踐相結合。通過該實驗要求學生研究PID控制器的參數對系統穩定性及過渡過程的影響；研究采樣周期對系統特性的影響；研究I型系統及系統的穩定誤差；分析普通PID控制算法和積分分離PID控制算法的性能優劣。

實驗三：最小拍控制系統。一個穩定的連續時不變系統，達到穩態的時間是無限。但對于計算機控制系統，通過設計卻可以實現在有限個采樣間隔內達到穩態值，從而獲得比連續系統更好的性能。這是計算機控制系統和連續控制系統在控制算法上很大的區別。通過該實驗，要求學生建立計算機最小拍控制系統的一般概念；掌握有紋波最小拍控制器的設計方法；分析紋波現象的產生；設計無紋波最小拍控制器；了解最小拍控制器對被控對象數學模型的建立精確性要求較高的缺點，掌握最小拍控制系統的改進方法。

實驗四：溫度控制系統。最后為了加強學生計算機控制系統的整體概念，設置了該實驗。

對于有能力、有興趣的學生，學校建立了興趣小組、科研課題以及開展了競賽，保證學有余力的學生在課后有更多的發展空間。

四、考核方式的改革

新的考核方式既鼓勵了學生的積極主動性，又達到了考查學生知識和能力的要求。本課程考試由4部分組成：平時成績（包括課堂表現和課堂測試），占總成績的10%；作業，占總成績的10%；期末閉卷考試，內容的重點放在離散控制理論基礎和離散控制算法設計，占總成績的70%；控制系統設計大作業，占總成績的10%。[4]

這種考核方式使得考核內容更加全面，形式更加靈活，而且強調了學生的實際動手能力，使考核結果更加客觀。

五、結束語

在近幾年來的課程教學中，對“計算機控制”課程的理論和實踐教學改革進行實踐和探索，從教學內容、教學方法、教學手段、實踐教學和考核手段等多方面入手逐步完善本課程的教學，取得了比較好的效果。課程教學改革的探索本身就是一個長期的過程，教師應根據所教學生的實際情況、教學條件的具體變化以及學生的反饋意見，不斷探索新的教學思路和教學方法，力求使自己的教學能力不斷提高，以培養出更多更好的實踐型與創新型人才。

參考文獻：

[1]高金源，夏潔.計算機控制系統[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]劉莎.《計算機控制技術》課程教學的探索與實踐[J].中國電力教育，2008，（18）：117-119.

[3]邢航，張鐵民.“計算機控制技”教學改革探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2007，26（12）：370-373.

[4]鞠陽.計算機控制技術課程教學方法改革探索[J].南京工程學院學報（社會科學版），2007，7（1）：45-47.