基于工程教育認證的《計算機控制系統》課程改革與實踐

汪德彪 胡文金 楊波 劉顯榮 姚立忠

摘要：工程教育認證在我國工科專業中受到越來越多的重視，《計算機控制系統》課程作為自動化專業的核心課程之一，在工程教育認證中發揮著重要作用，其教學內容必須滿足工程教育認證的要求。本文針對《計算機控制系統》教學內容不適應工程教育認證的問題，通過強化、補充、融合相關內容使其滿足工程認證需要。通過教學實踐取得了良好教學效果，并在教學資源建設、教學手段和方法，以及實驗教學等方面取得進展。

關鍵詞：計算機控制系統；工程教育認證；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0263-04

一、引言

工程教育認證具有“國際實質等效性”，如果一個專業通過工程教育認證就意味著其培養的學生具有國際上廣泛認同的質量標準[1]。我國早在20世紀90年代初就開始探索專業的工程教育認證工作，2006年成立工程教育認證專家委員會，之后逐漸得到發展和完善，于2012年成立工程教育認證協會，并于2013年加入華盛頓協議，從此我國的工程教育認證得到國際認可[2]。國內許多高校也十分重視并積極參與專業的工程教育認證工作，我校自動化專業于2016年通過了工程教育認證，通過此項工作極大地促進了專業改革和課程建設，自動化專業人才培養質量穩步提高。《計算機控制系統》作為自動化專業的一門核心課程，具有綜合性、實踐性、工程性等特點，對自動化專業的總體能力形成和工程實踐能力培養具有不可替代的作用[3-7]。工程教育認證為《計算機控制系統》課程教學內容改革提供了廣闊的平臺，在充分論證基礎上，以滿足自動化專業總體要求為依托，以工程教育認證為引領，我們對自動化專業的《計算機控制系統》課程進行了大幅度改革，通過3年來的教學實踐，取得了良好的教學效果。

二、課程教學內容的問題分析

目前《計算機控制系統》課程的教學內容可以歸納為以下6個方面：一是計算機控制的基本概念，主要包含計算機控制系統的組成結構、典型的控制系統、控制系統的性能指標、控制系統的實時性等內容。二是計算機控制硬件系統，主要包含接口技術與過程通道技術、含有少許工業控制計算機的基本內容、硬件抗干擾技術等。三是過程量的采集與數字濾波、工程量轉換、線性化處理等。四是控制算法，主要是數字PID算法及其參數整定、數字控制器離散化設計技術、復雜控制技術等。五是控制網絡與集散控制系統基本知識。六是計算機控制系統設計與案例分析。通道和算法是兩個核心內容。從表面上看教學內容是豐富的，但在教學實踐中往往存在不少問題，有的問題因校而異，有的問題因人而不同，主要體現在以下幾方面。

第一，工程性不強。在教學中往往理論分析多，將理論如何應用于工程實際薄弱。比如PID算法的工程實現問題，工程化處理的緣由是什么、工程化處理內容是什么、工程化處理過程如何實現等沒有得到充分體現。又比如過程通道技術教學內容陳舊，理論分析過多，沒有與當前技術應用潮流接軌，教學與工程應用是脫節的。

第二，缺少非技術性教學內容。該課程的教學內容幾乎完全是關于計算機控制的技術性內容，相關非技術性教學內容很少，但是一個成功的計算機控制系統應用涉及很多非技術因素，為了提高自動化專業學生工程實踐能力，這些內容是不可或缺的。比如技術經濟分析、工程與環境、工程倫理等。

第三，缺少計算機控制相關的規范性教學內容。從培養人的角度出發，不僅要教會學生做事，還應該教會學生在做事過程中遵從規范和標準，使學生具備按照相關規范高質量地完成計算機控制系統相關工作的意識。比如工程設計的技術規范、設計資料的管理規范等。目前的教學內容中缺少這些，在計算機控制的相關實踐教學中，大量存在設計圖紙、文檔不規范、遵從的技術標準不明確等問題。

三、應對措施

（一）突出復雜工程問題教學內容

分析解決復雜工程問題是專業綜合能力的重要體現。對于自動化專業而言，什么是復雜工程問題，在計算機控制系統課程中又如何得以落實？本課題組在多年的科技服務實踐和教學中得到了一些基本經驗，該課程主要在以下幾個方面體現復雜工程問題。

1.PID算法的工程化及其編程處理。眾所周知，PID控制算法在絕大多數情況下都是非常實用的控制算法，但理想的PID算法難以適應各種復雜的控制對象和控制要求，必須對其進行必要的工程化處理才具有工程適用性。在傳統的教學中，這一部分內容非常薄弱，學生很難理解PID算法在工程中究竟是如何作用于控制對象的。PID算法看似一個簡單的算式，但針對工程應用就成為一個復雜問題，如何處理給定值、測量值、偏差、控制量、手/自動切換、控制補償等問題，在滿足工程控制中需要具體問題具體分析。

為了闡述PID算法工程化的復雜性和編程實現，在此僅以控制量處理為例來說明。理想PID的算法式非常簡單，位置式PID算法表達是如式（1）所示，用編程語言非常容易實現，只需要比例、積分、微分系數和當前時刻及前兩個時刻的偏差就可以計算出來。

U■=U■+q■E■+q■E■ （1）

然而，工程中并不是這樣運用的，計算得到的控制量Uk需要進行必要的工程化處理才能適應各種場合的控制需求，控制量工程化處理如圖1所示[6]。

在工程中，根據具體情況需要對控制量進行補償處理，補償有增加控制量、減小控制量、補償取代和不補償4種模式（各模式在工程中的意義和作用是不同的），由OCM決定；通過對OCV賦值來決定補償量大小。經過補償后的控制量再經過變化率限制，MR是限制控制量變化速度的控制量，是為了避免猛烈升降的沖擊影響，使生產過程操作平穩，減小對執行機構的沖擊。輸出保持通過軟開關FH/NH控制，實現當前時刻控制量Uc和前一時刻控制量Uk-1的選擇，在工程上的意義在于當控制對象出現某種狀態時，需要維持以前的控制量，切斷新的控制輸出，以保障系統的平穩運行。安全輸出是實現控制系統的安全運行所必需的，當控制系統出現某種故障時，軟開關FS/NS切向NS位置，控制輸出置于安全輸出量MS，切除正常的控制量，當故障排除后將軟開關FS/NS切向FS位置，恢復正常運行。這些工程化措施在工程中是非常重要的，但這些內容在教學中被輕視了，甚至被忽略了。

在PID控制算法工程化過程中需要許多變量，這些變量有浮點型的、整型的和布爾型的，這些類型變量在編程實現時如何圍繞PID工程化實現也是一個關鍵問題。以C語言編程實現為例，為了管理這些變量，定義一個結構體，用結構型變量進行管理，操作修改都十分方便，從而使算法表達式到程序之間實現了無縫連接，實際上自動化專業軟件WinCC就是這樣管理結構型變量的。為了進一步結合工程實際，將當今主流自動化系統中的PID算法（比如SIEMENS的PLC產品中的PID算法）納入課堂教學，從而將PID算法從理想到工程再到應用，貫穿PID技術的主線。這個過程是一個典型的復雜問題處理過程，也是十足的工程實際問題。

2.過程通道的工程化處理。在傳統的教學中，計算機控制的過程通道的內容是最為困惑的，在很大程度上是微機接口技術的簡單擴充，以接口芯片與微機總線接口作為重點，接口編程編程語言還是以匯編語言實現，這顯然與工程實際相距甚遠，根本達不到工程應用的目的。事實上，將過程通道技術從原理到工程應用也是一個復雜的工程問題，接口技術已經在自動化專業的前修課程《微機原理及應用》中得以解決，在計算機控制系統課程應上升到總線一級去分析與應用。在基于ISA總線的過程板卡分析的基礎上過渡到基于PCI總線的過程板卡的分析與應用，進一步上升到基于PCIe和PXI等當今流行的總線板卡。另一方面，加強以網絡為基礎的分布式過程通道的應用教學。在過程通道應用編程上主要以ActiveX控件、Labview、組態軟件等為平臺，與工程實際應用實現無縫連接。在過程通道教學內容中，充分融合信號調理技術、硬件抗干擾技術、硬件可靠性和安全技術等工程實際內容，從而在硬件上形成完整的技術鏈條。

3.工程量轉換與標準數問題。實際應用中的過程參數千差萬別，同一個系統中的大信號與小信號可能相差甚大，這個問題在計算機控制實踐中不處理會有什么不良后果，處理的方法是什么？理解這些問題對于初學者來說是具有挑戰性的，也是一個典型的復雜工程問題。

過程參數經過傳感器及其變換電路轉換成標準的電壓或電流信號，在經過A/D轉換成為數字信號后與實際的物理參數的關系怎樣，這就是工程量的標度轉換問題。如果這種對應關系是線性的則完全可以通過公式進行折算，但對于非線性嚴重且不能公式化處理又該如何進行，是采取實驗模型、智能算法還是其他方法，對這個問題的透徹分析能為提高學生的工程實踐能力提供助力。

在控制系統中，可能存在一個信號大到成千上萬，而另一個信號則是百分級或者更小，兩者相差5—6個數量級以上，如果將兩個信號比較可能將小信號給忽略了，從而出錯，對于這個問題的復雜性要具體問題具體分析，通用的做法是將全部信號折算成標準數，即將所有工程量折算成0—1或0—100之間的無量綱標準數，消除大小信號之間的差異，避免在運算過程中出現粗大的取舍誤差。而作為控制量輸出也通常是0—100之間的數，代表執行閥門的開度，但在具體輸出的數據顯然不能是0—100之間的數，而是要根據執行器接收操縱信號的范圍和靈敏度大小，D/A轉換器的分辨率等改變實際輸出的數值。對這些問題的透徹分析能使學生明白很多工程問題。

（二）補強工業計算機內容

計算機控制系統中的計算機稱為工業控制計算機（IPC），是計算機控制系統的硬件基礎。傳統計算機控制系統課程在這部分相對薄弱，僅僅對IPC的組成結構及其特點進行了簡單介紹，不足以支撐工程應用。在傳統教學中往往注重總線型工業計算機（IPC），這非常好理解，因為IPC很好兼容了普通商用計算機的軟硬件資源。PLC、嵌入式系統、智能調節器、DCS/FCS作為常用的工業控制裝置沒有很好融合到課程的教學中，當然這些內容可能會有獨立的課程來解決，但問題的關鍵是如何將其有機地連接到一個完整的計算機控制系統是計算機控制系統課程的任務所在。為此，在內容上以通信網絡為紐帶構建工業控制網絡，從基礎的IPC+遠程I/O模塊，到IPC+PLC或IPC+RTU模式，再到以DCS/FCS為核心構建大型計算機控制系統，形成梯度遞進的教學內容，這種教學內容的補充與增強符合當今計算機控制潮流，因為在現實中幾乎不存在單機計算機控制系統，都是以網絡通信為核心的大型計算機控制系統，即使相對獨立的小型計算機控制也是大型系統的一部分。

（三）補充非技術性教學內容

一個工程的成功應用不僅僅是技術問題，也就是說要實現一個計算機控制系統，僅從技術上去思考問題是完全不夠的，有很多非技術因素影響著它的應用，主要有以下幾個方面。

1.計算機控制與經濟效益。計算機控制取代傳統控制，減少了人力成本和資源消耗，提高了生產效率，同時也能使產品的質量得到穩定和提高。經濟效益該如何計算、計算機控制系統的建設投入與提質增效的效益平衡等，這些因素在一個實際的計算機控制系統中去具體分析，要教會學生如何去分析這些問題，很顯然，這些問題并沒有唯一正確答案，而是各種因素相互制約的結果。在教學中補充少許技術經濟內容，強化學生的技術經濟意識。

2.計算機控制與環境問題。如果實現一個計算機控制系統僅僅從經濟效益去分析顯然是偏頗的，作為一個從事自動化的工程技術人員，必須清楚自己所實施的控制系統所承擔的社會與法律責任，必須符合工程倫理的要求。如果一個計算機控制系統不具有環境友好性，不符合社會行為規范，無論它有多么好的控制性能都不是一個成功的計算機控制系統。因此，在教學中必須強調工程師的社會倫理和社會責任意識。

3.非技術性教學內容的處理實踐。我們在教學過程中處理非技術性內容主要在兩個方面，一是計算機控制系統的性能分析上，傳統的做法是，分析計算機控制系統的性能主要從快速性、準確性、穩定性和實時性去進行，這些都是非常重要的技術指標，如果再進一步則是分析它的通用性、環境適應性和開放性等。為了更加充分體現工程性，緊密結合工程認證要求，將經濟效益、環境意識補充到計算機控制系統的綜合性能中，通過案例分析使其更加豐富和具體。二是在計算機控制系統設計與案例分析部分，除了傳統的設計原則與方法、設計步驟與過程之外，補充經濟預算、環境保護、設計規范、工程項目管理等內容，通過工程案例具體分析。

（四）計算機控制系統的技術規范

工科專業是以解決各種工程技術應用中技術和非技術問題為目標的，要做好工作就不能隨心所欲，必須遵守相關的規范，所謂“行有行規，不從規矩就不成方圓”，作為從事自動化工程的專業人員也需要遵從相應的規范。傳統的教學中，規范教育是非常薄弱的，甚至在一門技術課程的教學中沒有關于行業規范的教學內容，學生根本就不知道有規范來約束他的技術活動。技術標準是技術活動的“法律”，是質量保證的基礎，是市場競爭的“游戲規則”。設計、安裝和管理一個計算機控制系統也有相關的技術標準，實施一個計算機控制系統項目就會涉及項目管理標準、自動化工程設計標準、電氣圖紙與符號標準、設備設施安裝標準、安全標準、工程驗收標準、技術文檔歸檔管理標準等。這些標準在課程教學實踐中是不可能完全細致地講解的，也沒有必要進行羅列，只要讓學生懂得在計算機控制領域主要有什么行業標準、國家標準和國際標準，這些標準規范了從事計算機控制領域的哪些具體活動，使學生建立初步的規范意識。在我們的教學實踐中用3—4學時就可完成該教學內容，初步建立起學生自動化系統的規范意識。

四、自制實驗裝置

為了將該課程教學改革推向深入，做到貼近工程實際，本課題組自制了專門的實驗教學設備，開發了實驗實訓項目。該實驗裝置具有通用的一階、二階系統以及溫度對象，過程信號有0—10V和4—20mA兩種形式，開關量輸出以固態繼電器形式輸出，與工程應用標準一致。該實驗裝置能與研華PCI1711U板卡和ADAM4000系列模塊連接。實驗實訓項目開發的軟件平臺有C++Builder、Labview和WinCC組態軟件幾種選擇，與工程應用緊密關聯，實踐表明該實驗裝置在教學中對學生的工程實踐能力培養具有顯著的作用。

五、結語

工程教育認證是一個逐漸完善和不斷提高的過程，是一個持續改進的過程。我校自動化專業在人才培養的實踐中不斷完善人才培養方案，《計算機控制系統》作為該專業的核心課程之一，其課程內容也在不斷調整與完善之中，自動化專業的《計算機控制系統》課程整合了《計算機控制技術基礎》和《工業計算機系統》兩門課程，課程名稱改為《工業計算機控制系統》，強化了《計算機控制技術基礎》的核心內容，補充了《工業計算機系統》的關鍵內容，融合了控制軟件技術、計算機控制系統規范、工程與環境等內容。三年多來，我校自動化專業在課程教學資源建設、教學方法和手段、實驗教學內容等方面的配套改革的保證基礎上，取得良好效果。

參考文獻：

[1]王孫禺，孔鋼城，雷環.《華盛頓協議》及其對我國工程教育的借鑒意義[J].高等工程教育研究，2007，（01）：10-15.

[2]余壽文.工程教育評估與認證及其思考[J].高等工程教育研究，2015，（03）：1-6+24.

[3]劉毅華，馬修水，何小其，等.應用型本科自動化專業培養方案改革探討[J].電氣電子教學學報，2009，31（S2）：154-156.

[4]李云霞，康波，鄒見效.《計算機控制系統》教學改革思路和實踐[J].實驗科學與技術，2012，10（02）：70-72.

[5]趙君，劉睿丹.卓越工程師培養目標下計算機控制系統實踐教學改革與研究[J].課程教育研究，2015，（01）：241.

[6]劉士榮，陳雪亭，黃國輝，等.計算機控制系統（第2版）[M].機械工業出版社，2012.

[7]李丹菁，王建華，陳嵐，等.新型應用技術大學建設的幾點教學思考——以計算機控制系統課程教學為例[J].高教學刊，2016，（02）：61-62+64.