“計算機控制技術”課程實驗教學探討

張 向 鋒

(上海電機學院 自動化系，上海 200240)

0 引 言

計算機控制技術是計算機技術、自動控制技術、微電子技術、自動檢測和傳感技術有機結合、綜合發展的產物。計算機控制技術的應用領域越來越廣泛，不僅包括航空航天等國防高精尖領域，還在現代化的工、農、醫等領域發揮重要作用[1]。計算機控制技術課程已經成為我國工科院校電氣信息類、機械類等大類中有關專業普遍開設的一門重要的專業課, 不僅需要學習抽象的理論知識，而且具有較強的工程技術背景[2-3]。上海電機學院電氣學院開設的計算機控制技術課程是自動化、電氣工程及其自動化專業等專業的專業課[4-5]。這就要求學生了解并掌握如何合理地選擇和組織工業控制計算機的軟件、硬件、外圍設備和接口通道以及控制管理生產過程的基本原理和方法，將控制對象、計算機、傳感器、通道和接口、執行機構、系統軟件和各種應用軟件組成一個有機的整體，形成完整的計算機控制系統。通過本課程的學習，使學生具備一定的計算機控制系統的設計、調試、維護等理論知識和實際能力。計算機控制技術課程的特點是實踐性強、與專業課密切相關，它涉及的基礎理論和知識面較廣[6-8]。計算機控制實驗是計算機控制技術課程的一部分，在本課程的教學體系中通過完成相關實驗和進行課程設計，觀察和分析實驗現象，加深對基本概念和規律的認識，以提高自己理論聯系實際、解決工程實際問題的能力。

1 計算機控制實踐教學的設計思想

教學實踐是實現人才培養目標的重要環節，實踐教學是理論聯系實際的很好的教學方式[9-10]。計算機控制技術課程實踐環節，著重培養學生的學習能力、創新精神和工程實踐能力[11-12]。本課程教學大綱中對實踐教學提出相應的要求，學生必須完成一定學時的實驗，通過實驗能夠加深對課程理論知識的理解。

由于計算機控制新知識、新技術更新的速度越來越快，這就要求在教學環節中注意培養學生的自學能力，使學生通過自學掌握新知識，適應社會的快速發展。其次，通過形式多樣的實踐環節，不僅能夠培養學生分析問題和解決問題的能力，驗證所學理論，而且對所學內容能夠提出一些新的見解。通過實驗，可以活躍學生的學術思想，全面提高學生的綜合素質，為提高學生的創新能力打下堅實的基礎。并且，通過實驗實踐教學活動，提高學生的實踐動手能力，這對于應用型人才來講至關重要。通過實踐教學環節，能使學生加深對課堂上所傳授的基本概念和基本原理的認識，驗證所學理論，對所學內容能夠提出一些新的見解。在實驗過程中鍛煉和提高學生的工程實踐能力，達到培養應用型人才的目的。

2 實驗系統及實驗內容的設計

為了保證計算機控制技術課程的實驗教學質量，學院對控制技術實驗室進行了重建，購置了22臺控制系統實驗平臺。每套裝置每次供1到2位同學使用，保證每位同學能動手操作并進行軟件編程，充分發揮自己的能動性。

2.1 硬件平臺及軟件開發環境

計算機控制實驗系統由上位PC微機(含實驗系統上位機軟件)、實驗臺、USB2.0通訊線等組成。實驗臺內裝有以C8051F060芯片(含數據處理系統軟件)為核心構成的數據處理卡，通過USB口與PC微機連接?？刂评碚搶嶒炁_主要由計算機控制技術及物理對象(電機轉速與溫度控制、液位控制)等部分組成。計算機控制技術模塊由電源部分、元器件單元、數據處理單元、非線性單元及模擬電路單元等15個單元組成。其中電源單元包括電源開關、保險絲，提供+5 V，-5 V，+15 V，-15 V，0 V，1.2～15 V可調電壓的輸出。元器件單元提供了實驗所需的電容與電阻，電位器，另外提供了插接電路，供放置自己選定大小的元器件。數據處理單元完成數據采集與數據輸出，并通過并行口與上位PC機進行通訊。非線性單元為典型的非線性環節電路。模擬電路單元由運算放大器與電阻、電容等器件組成，由場效應管組成的電路用于鎖零。在“計算機控制”實驗中，這些單元常被用于模擬被控對象。計算機控制實驗的上位機控制程序是與硬件平臺配套的程序。上位機控制程序可以通過該數據處理系統完成8通道數據采集輸入(同時采集最多2通道)和2通道檢測波形輸出(同時輸出最多2通道)。在該實驗系統的上位機上可以完成計算機控制實驗所需的檢測信號發生、數據采集、控制計算以及數據輸出等任務，并提供虛擬示波器功能，將支持多種波形顯示方式和后期圖像數據處理。

實驗時學生可根據不同的實驗內容選用不同的模塊、單元組成不同的硬件系統，配合上位機控制程序，組成計算機控制系統，盡可能創造接近于工業現場的實驗環境。

2.2 實驗內容

學生學習了電子線路、自動控制原理、計算機原理、計算機控制等相關課程后，已具備了計算機控制技術的基本知識。但在設計和組成計算機控制系統時仍會遇到許多問題。因此，在實踐中教師應鼓勵和吸引學生投入到教學環節之中。學生直接參與分析問題、解決問題，運用所學的知識、理論、方法，發揮自己的推理、思考及設計等各種實際能力。根據實驗內容主要分為驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗3種類型[13-14]。驗證性實驗通常是指讓學生針對已知的實驗結果而進行的以驗證實驗結果、鞏固和加強計算機控制技術的基本理論內容、培養實驗操作能力為目的的重復性實驗。它是建立在已知結論的基礎上的，實驗原理、實驗結果是已知的，因此實驗步驟的設計也應合乎必然產生的實驗結果。這部分的實驗主要有“A/D與D/A轉換”、“數字PID控制算法的研究”等。綜合性實驗是指實驗內容涉到計算機控制技術課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗。學生在具有一定知識和技能的基礎上，運用某一門課程或多門課程的知識、技能和方法進行綜合訓練的一種復合型實驗。這部分的實驗主要有“水箱液位控制系統”等。設計性實驗是給定實驗目的、要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。學生運用已掌握的計算機控制技術基本知識、基本原理和實驗技能，提出實驗的具體方案、擬定實驗步驟、選定儀器設備、獨立完成操作、記錄實驗數據、繪制圖表、分析實驗結果。這部分的實驗主要有“直流電機轉速計算機控制”、“電加熱爐溫度計算機控制系統設計”等。

3 實踐教學方法和手段的改革

隨著實驗教學的不斷深入，學生對實驗方法及實驗資源掌握的水平也在不斷提高。教學的深度和難度也隨之變化。在實驗教學過程中，強調教學的目的是培養高質量的技術應用型人才。讓學生從被動學習變為自主性學習，提高學生的學習興趣。同時，在實驗過程中注重實物操作實驗和仿真實驗相結合，培養學生的思維能力和理論研究能力[15-16]。為此，我們從以下幾個方面進行實驗教學改革。

(1) 實驗類型的改革。減少了驗證性的實驗內容，增大了綜合性、設計型實驗。通過讓學生親自動手完成自己設計的系統，以真正提高綜合知識的運用能力及動手能力。例如學生利用加熱裝置、數據采集卡、上位機、虛擬儀器軟件Labview等軟硬件，可以自行設計完成溫度控制系統實驗平臺。在實驗教學過程中，學生可以完成硬件選型、系統搭建、算法選擇及軟件編程這樣一個完整的過程。通過調試，發現問題并解決問題，從而體驗理論設計和工程實際的區別。通過把理論知識轉化為實際的系統，提高了學生的系統搭建和整體調試的綜合能力。

(2) 實驗內容的改革。通過教學內容改革可以讓學生加深對概念的了解，促進教學效果的提高。在講授計算機控制規律如PID數字控制、計算機控制系統的穩定性等理論性較強的內容時，可適當把Matlab/Simulink 仿真引入到課堂教學和實驗教學中。學生在實驗過程中，利用Matlab/Simulink建立計算機控制系統的數學模型，并進行仿真調試。根據獲得的控制效果，分析控制模型的不同參數對控制結果的影響。

(3) 指導方法的改革。在指導實驗的過程中，教師主要保證試驗設備的完好，檢查學生的實驗操作情況，考核實驗結果等。鼓勵學生運用所學的理論知識，利用實物實驗和仿真實驗相結合的形式，對比分析實驗結果。對實驗中出現的問題，采取一起討論的方式，教師主要從解決問題的思路上給予指導。

(4) 增加實踐教學環節。課程設計是教學計劃中進行綜合訓練的重要實踐環節，它將使學生在綜合運用所學知識解決本專業方向的實際問題方面得到系統性的訓練。為此，本課程增開了相應的課程設計，目的是通過大量的軟、硬件實驗，由淺入深的實踐，從而讓學生更好地掌握對計算機控制技術理論知識的運用。

總之，通過以上教學方法和教學手段的改革，盡可能使學生由被動的接受者轉變為主動的參與者, 提高學生動手應用能力，為畢業設計教學環節和今后從事實際工程實際設計、維護等工作打下良好的基礎。然而隨著科學知識的不斷更新，行之有效的實驗教學方法和手段還有待于進一步的反饋和完善。

4 結 語

在近幾年的教學過程中，注重實踐教學平臺的構建，注重學生對教學內容和實驗技能的掌握，注重培養學生的學習能力、創新精神和工程實踐能力。在以后的教學過程中，教師仍應不斷思考和探索，增加學生對實驗課的興趣，提高實驗效果，達到培養技術應用型人才的目的。

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