項目驅動的《計算機控制技術》課程實踐教學的研究

丁健 干開峰

【摘 要】《計算機控制技術》是自動化專業的一門理論性與實踐性都很強的課程。加強實踐環節，尤其是綜合實踐環節，是學生綜合運用所學專業理論知識進行實際應用的設計過程。論文介紹以項目為載體，優化重置該課程的教學內容及教學方式，圍繞計算機控制系統的教學實踐，設計不同的實施項目，運用項目驅動教學，激發學生學習興趣，培養學生創新意識、協作精神和理論聯系實際的學風，解決高校《計算機控制技術》教學與人才培養滯后問題，切實提高學生的實踐動手能力和軟硬件開發能力。

【關鍵詞】計算機控制系統;教學實踐;項目驅動

The Practice Teaching Study of “Computer Control Technology” Course Base on Project-driven

DING Jian GAN Kai-feng

（Department of Electronics & Electrical ?Engineering， Hefei University， Hefei Anhui 230601， China）

【Abstract】“Computer control technology” is the automation of a theoretical and practical course， Strengthening the practice， especially the comprehensive practice， is the students comprehensive use professional theory knowledge to practical application of the design process. This paper introduces to the project as a carrier， teaching content and teaching methods of the course of the optimal reset， the computer control system of teaching practice， construction project different， the use of project driving teaching， to stimulate students interest in learning， cooperative spirit and style of study of the theory and practice of the cultivation of students innovation consciousness， teaching and talents in Colleges and universities， to solve the “computer control technology” culture lag system， to improve the students practical ability and hardware and software development capabilities.

【Key words】Computer control system; Teaching practice; Project-driven

0 引言

計算機控制技術是計算機技術、自動控制技術、通信技術、自動檢測與傳感技術、CRT技術相結合的綜合應用技術，是自動化專業的一門主要專業課，也是一門實踐性強的技術類課程。它涉及的基礎理論和知識面較廣，知識集成度高，在專業課程體系中占有重要的地位。由于專業理論性較強、概念抽象，理解起來有些困難，教師如何引導學生掌握該課程的基本理論和研究分析問題的方法，培養學生具有一定的工程實踐能力，這是急需要解決的問題。加強實踐環節，尤其是綜合實踐環節，是學生綜合所學，進行實際應用的設計過程，通過設置不同的實施項目，運用項目驅動教學法，激發學生學習興趣，培養學生創新意識、協作精神和理論聯系實際的學風，切實提高學生的實踐動手能力和軟硬件開發能力。

本課程的教學應該結合專業背景而展開，這樣才能真正激發學生的學習熱情，也是具體改進方法取得良好效果的關鍵。該門課程的學習效果將會對其走上工作崗位后的科學研究能力和工程實踐能力均有較大的影響，上至分散控制系統下至DDC，以及現場的一個具體控制回路等都是計算機控制技術要考慮解決的內容。本門課程的實踐教學可從以下幾個方面考慮。

1 培養學生對知識的系統性和有機整合的能力

加強引導學生理解計算機控制系統各相關內容及相互之間的關系，內容主要有： 輸入輸出接口技術、通信和總線技術、控制算法、數字開環控制、數據處理技術、集散控制系統和現場總線控制系統、計算機控制系統的一般設計方法。看起來很雜，好似相互獨立，實際上是與自控原理相銜接，包含著兩部分內容：一是計算機控制理論基礎， 即離散控制理論、離散系統分析與設計方法;二是實現技術，主要是通道接口技術與系統實現技術。需要強調計算機控制與連續控制的相同和不同的概念、不同的設計分析方法，讓學生掌握計算機控制的基本分析、設計方法。從系統的角度，說明一個實際的計算機控制系統的組成和各部分功能及實現方法。[1]

合理確定理論教學內容和深度，如何將各個組成部分組合成為一個完整計算機控制系統，這也是開設本門課程的一個主要目的。實踐教學環節也要圍繞這個目的展開。

2 增強實驗環節，培養學生解決問題的能力

課堂上理論教學缺乏對計算機控制系統的設計方法及相關理論知識的全面深入的理解，有必要通過物理閉環數字DDC 控制系統加強實驗教學的內涵，以真正培養學生對綜合知識的運用能力及動手能力。結合課程教學內容和實驗室現有實驗條件，讓學生在實驗室親自動手完成課堂上設計的實驗。這樣使學生能夠通過這個實例看到如何一步步把理論知識轉化為實際的系統，從而增強系統連接和整體調試的綜合能力。進一步，可再提供諸如簡易電加熱爐、數據采集卡、微機以及虛擬儀器軟件LabVIEW或組態軟件給學生搭建溫度閉環控制系統實驗平臺，由學生完成從硬件選型、系統搭建、算法選擇、軟件編程一直到實現對爐溫的控制這樣一個完整的過程。通過實際調試，還可感受到工程實際和理論設計的差別，以及調試不通過時，反復調試，可逐漸掌握排查問題和解決問題的方法。

再有，還可更換被控對象，如機械手步進電機控制等，提供給學生更多的動手實踐機會，激發學生實際操作的積極性和創新意識。

3 合理設置計算機控制系統綜合項目

實踐教學是提高學生創新精神和能力的重要途徑，因而要合理安排好實驗內容[2-4]。為此，應開發綜合設計項目，通過實踐教學，培養學生應用計算機控制技術理論解決實際問題的能力。綜合設計項目與傳統驗證實驗的最大不同是：實驗只提出目標和要求，沒有詳細的實驗步驟、實驗電路圖，學生根據情況自主選擇難度等級不同的項目，根據系統的性能要求，獨立完成系統設計、系統搭建和調試，寫出實驗報告。所有這些都能極大地調動學生學習的主動性和積極性，鞏固課程理論，激發學習熱情，培養學生動手能力和獨立思考的能力，使其觀察、分析、解決問題的能力都能得到很好的訓練。

工業控制計算機作為計算機控制系統的核心部件，首先，要在設計項目中應體現其作為工業控制器的特點，只有這樣，才能讓學生充分理解工業控制計算機的硬件特性和功能。其次，將設計內容與工程實際結合起來，培養學生的工程意識。為此，要充分利用現代信息技術，圍繞現有的計算機控制實驗室和具有模擬和仿真條件的校內實驗機房或實訓室，著力開發較合適的實訓項目或虛擬實驗項目，既要能能達到鍛練學生綜合設計的能力，又要能讓學生做得出來。開發的計算機控制系統綜合設計項目舉例見表1，并以項目四為例，證明虛擬實驗室可以鍛煉學生軟硬件的綜合開發能力。[5]

3.1 Smith純滯后溫度控制系統的Matlab輔助設計與仿真

電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環節。根據被控對象實驗數據，可確定被控對象的純滯后時間τ=80s和對象時間常數Tp=60s，其比例τ/Tp>0.5，故采用帶有Smith預估器的數字PID控制算法，在Matlab軟件的Simulink模型窗口創建smith.mdl模型文件，如圖1所示[6]。

圖1 帶有Smith預估器的數字PID控制系統仿真模型

根據被控對象時間長短并結合工程經驗，確定采樣周期為1s，調試比例系數kp、積分系數ki，使系統閉環穩定，沒有超調，使單位階躍響應輸出曲線的上升時間滿足設計要求，可得仿真結果（如圖2所示）。由圖2可知，引入Smith預估器后，閉環系統的單位階躍響應曲線無超調，只是在時間上滯后τ=80s。采用帶有Smith預估器的數字PID控制算法可實現對電阻爐溫度的純滯后補償控制。

經此本項目設計，學生可結合對電阻爐溫度對象的控制，掌握smith預估控制器的設計原理及參數調試方法、技巧，為實際對象的控制及控制方法的合理選擇積累經驗。

3.2 溫度檢測信號及Proteus輔助設計與仿真

電阻爐的溫度檢測可采用鎳鉻-鎳硅熱電偶，經信號調理電路處理，再經A/D轉換器輸入單片機。可使用Proteus的ISIS組件繪制的ADC0809與AT89C51接口原理圖。編輯源程序，使用keil C編譯后向AT89C51加載可執行程序，仿真運行、調試，在顯示電路顯示對應的溫度值，同時根據實際情況輸出對應的控制信號，達到控制溫度的目的。

經此虛擬設計，學生可學習A/D芯片ADC0809轉換性能及編程方法，掌握A/D轉換器與單片機接口軟硬件設計方法。

在經過仿真驗證后，可利用實驗室等現有條件，進行實物的制作、調試。

3.3 項目報告

在每一個項目完成時，學生按小組總結本次項目設計的情況，并制作PPT演示文檔對本項目做匯報小結。學生可以將自己在項目設計過程中碰到的一些困難、問題提出，并說明采用何種思路與方法解決實際問題;也可以將自己小組的開發設計思路和其他小組進行交流，從而加強對項目設計和項目所涉及知識點更深層次的了解和領悟。最后進行作業展示，教師應針對項目設計過程中出現的一些問題進行整理總結，并提出改進方法，也為以后的教學累積經驗，達到教學相長的效果。

4 結束語

在驗證性實驗的基礎上多做一些綜合性設計實驗或綜合項目的設計對于計算機控制技術的掌握掌握尤為必要，但是Matlab、Proteus等仿真軟件在計算機控制系統綜合設計中的應用，提高了學生的學習興趣和創新能力，對學生職業能力的培養也具有現實意義，再有就是利用虛擬仿真軟件替代價格昂貴的實驗設備和測試儀器，可在課堂上進行仿真分析，便于學生深入理解和掌握概念;同時，實驗結果可用來指導實際系統的設計，減少實物實驗調試和耗材，縮短項目設計周期。仿真不能完全代替實物，在利用Matlab，Proteus等軟件進行仿真分析的基礎上將其應用于實物系統，才能真正將校內實踐教學與企業實際工作崗位需求有機銜接與融通。

【參考文獻】

[1]嚴娟娟.以提高應用能力的“計算機控制”課程改革的思考[J].電氣電子教學學報，2009（S2）：26-28.

[2]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）： 81-83.

[3]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.

[4]王濤，徐英雷.“計算機控制技術”課程教學容探討[J].中國電力教育，2009（22）： 108-109.

[5]張智軍.計算機控制系統虛擬實驗室建設與探索[J].中國現代教育裝備，2012（9）：28-29.

[6]薛定宇.控制系統仿真與計算機輔助設計[M].2版.北京：電子工業出版社，2010，7.

[責任編輯：楊玉潔]