“計算機控制技術(shù)”課程定位與知識梳理

王 超，孫宏軍，丁紅兵

(天津大學 電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

0 引言

“計算機控制技術(shù)”是自動化類專業(yè)的核心課程之一，涉及的知識面廣，知識集成度高，在專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。課程的教學效果的優(yōu)劣對學生綜合應用能力和解決實際問題能力會產(chǎn)生直接影響。

伴隨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，工程教育的改革如火如荼，如麻省理工學院(MIT)的NEET計劃[1]。2018年9月，我國教育部、工業(yè)和信息化部及中國工程院聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，提出了一系列的改革任務(wù)和重點舉措。在這一背景下，“計算機控制技術(shù)”的課程目標和知識體系也需重新進行梳理和定位。

1 課程的定位

幾乎所有高校的自動化專業(yè)都開設(shè)“計算機控制技術(shù)”或“計算機控制系統(tǒng)”類的課程，但側(cè)重各有不同，而與此對應的教材也是種類繁多，各有千秋。高等教育出版社、科學出版社、機械工業(yè)出版社、清華大學出版社和化學工業(yè)出版社出版的該類教材超過50本。根據(jù)教學角度的不同，計算機控制技術(shù)類教材主要分為三類，①以離散系統(tǒng)設(shè)計理論為重點；②以單片機和接口技術(shù)為重點；③兩者兼顧。各類型教材既有各自的特點，也存在不同的問題[2-5]。

“計算機控制技術(shù)”在自動化專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，在培養(yǎng)方案規(guī)劃時，理順好該課程與其它相關(guān)課程的關(guān)系非常重要。這里主要涉及兩方面的關(guān)系。一方面是“計算機控制技術(shù)”與“自動控制理論”和“信號與系統(tǒng)”的關(guān)系；另一方面是“計算機控制技術(shù)”與相關(guān)技術(shù)類課程，如：“單片機”“可編程邏輯控制器”“數(shù)字信號處理器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等的關(guān)系。上述關(guān)系問題的妥善解決，是制定培養(yǎng)方案的關(guān)鍵，也是難點。

自動控制的發(fā)展一直伴隨著人類社會的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。在第一次工業(yè)革命的“蒸汽時代”有了基于機械原理的控制裝置；在第二次工業(yè)革命的“電氣時代”，模擬控制理論使控制性能得到提升；而在第三次工業(yè)革命的“信息時代”，計算機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，自動化技術(shù)發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變，由處理連續(xù)時間變量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚黼x散時間變量，由處理模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚頂?shù)字量[6]。可以說計算機控制技術(shù)從其誕生，就是以實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制為指向，以構(gòu)建實際控制系統(tǒng)為目標的。因此，將“計算機控制技術(shù)”定位在構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)的共性技術(shù)。以此為依據(jù)，也可以更有針對性地解決上述的兩個關(guān)系問題。

2 知識分類和邏輯的梳理

知識內(nèi)容邏輯越合理，分類越清楚，學生越易于理解和掌握，才能進而提高學生應用知識和創(chuàng)新的能力。

2.1 清晰的知識分類

“計算機控制技術(shù)”涉及的知識面廣，清晰的分類有利于學生構(gòu)建自身的知識體系，并能在今后不斷更新和完善，提高學生的持續(xù)學習能力。

從課程全局角度，理清計算機控制技術(shù)的應用分類非常重要。計算機控制中的計算機不是狹義的PC機，一般泛指數(shù)字化控制裝置，主要包括單片機、數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)、工業(yè)控制計算機IPC(Industrial Personal Computer/簡稱“工控機”)和可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)等。早期的計算機價格比較昂貴、體積也比較龐大，因此，用于控制領(lǐng)域時，一般采用“集中控制”方式，即用一臺計算機同時控制多臺機器或設(shè)備，檢測裝置輪流采集機器或設(shè)備的相關(guān)信息，傳送給計算機，計算機按事先確定好的方式和算法計算出所需要的控制量，并輪流輸出給每臺機器或設(shè)備。后來，由于計算機價格的不斷下降，體積也不斷縮小，因此，出現(xiàn)了一臺計算機只完成相對單一的控制任務(wù)的方式，這種方式在今天也很常見，如冰箱、空調(diào)等通常用一個單片機就能完成控制任務(wù)。可將這類型計算機控制技術(shù)歸為“計算機控制的單元技術(shù)”，重點在于設(shè)計控制器或模塊，主要針對小型控制系統(tǒng)[7]。而大、中型控制系統(tǒng)，往往利用總線技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用商業(yè)化的設(shè)備和軟件進行集成設(shè)計，較具有代表性的有主要用于機械制造業(yè)的計算機集成制造系統(tǒng)CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、用于石油、化工、鋼鐵等生產(chǎn)過程的集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)和計算機集成過程系統(tǒng)CIPS(Computer Integrated Process System)，以及將控制徹底分散化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)等。將這類型計算機控制技術(shù)歸為“計算機控制的集成技術(shù)”[7]。在課程的講授過程中，應給學生明確哪些內(nèi)容屬于計算機控制的單元技術(shù)，哪些內(nèi)容屬于計算機控制的集成技術(shù)，哪些內(nèi)容兩者均有應用，使學生學習各項技術(shù)時，都能夠清晰地把握其應用的目標，避免在龐雜的知識面前產(chǎn)生混淆，限制解決復雜工程問題能力的提升。

另外，對于各章節(jié)知識的分類也需更加清晰。以總線技術(shù)為例，在不同教材的總線技術(shù)部分，總線的分類是有差別的，通過比較分析，采納了按照內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線三類進行界定的方案。內(nèi)部總線是計算機內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；系統(tǒng)總線是計算機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連；外部總線則是計算機和外部設(shè)備之間的總線，用于設(shè)備一級的互連。通過這樣的清晰的界定，學生面對一些新的總線標準時，也可方便的對其進行歸類，不斷豐富自身的知識體系。

2.2 理順知識的邏輯關(guān)系

理順知識的邏輯關(guān)系，一方面便于學生理解知識要點，另一方面還可使學生在課程的學習過程中不斷地應用前面學習的知識，提升掌握程度。

以過程通道部分為例進行說明。過程通道是計算機控制技術(shù)中非常重要的部分，在多年的教學過程中，發(fā)現(xiàn)按照從簡單到復雜的順序和過程通道結(jié)構(gòu)構(gòu)成的思路對該部分的知識點進行構(gòu)架，會使學生更加易于掌握，并建立良好的知識結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 過程通道部分的邏輯關(guān)系

按照接口技術(shù)、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、模擬量輸出通道和模擬量輸入通道順序安排教學內(nèi)容。接口技術(shù)是基礎(chǔ)，重點介紹地址譯碼、鎖存器和緩沖器，安排在第1節(jié)。以此為基礎(chǔ)，在每類過程通道的教學中，都首先介紹該類過程通道的結(jié)構(gòu)，然后按照過程通道結(jié)構(gòu)構(gòu)成的思路進行講授。以數(shù)字量輸入通道部分為例進行說明。首先介紹數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)，可應用第1節(jié)中緩沖器和地址譯碼的知識實現(xiàn)輸入緩沖器和地址譯碼電路的設(shè)計，而圖1中標“★”的“輸入調(diào)理電路”則是增量知識，從而引導學生形成數(shù)字量輸入通道的完整知識結(jié)構(gòu)。另外，由于A/D轉(zhuǎn)換原理一般都會使用D/A轉(zhuǎn)換器，因此，按照先模擬量輸出通道，再模擬量輸入通道的順序進行教學。采用這種知識構(gòu)成的方式進行教學，可更好地引導學生掌握應用知識解決設(shè)計問題的方法和思路。

2.3 首章和尾章的設(shè)計

設(shè)計好首章和尾章，也即開好頭，結(jié)好尾。“緒論”要吸引學生的興趣，把學生引進門；尾章為“計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計及實例”，要指導學生架構(gòu)起整體計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計理念。首章和尾章的內(nèi)容設(shè)計如圖2所示。

圖2 首章和尾章的內(nèi)容設(shè)計

在緒論部分，在講授計算機控制系統(tǒng)的工作原理、組成和發(fā)展概況外，增加了“工業(yè)革命和自動化控制”。在該節(jié)中，以工業(yè)革命和自動化控制的發(fā)展為脈絡(luò)，講述計算機控制技術(shù)在工業(yè)和科技發(fā)展中的重要地位。

計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、操作指導系統(tǒng)、直接數(shù)字控制、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等)一般都在緒論部分進行講授，多數(shù)計算機控制類教材也這樣安排。但是，學生們在緒論的學習階段，還沒有系統(tǒng)地理解計算機控制技術(shù)，往往只是機械記憶這些結(jié)構(gòu)類型，對提高他們的設(shè)計能力幫助非常有限。因此，將“計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型”調(diào)整到了最后一章(計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計及實例)，更有利于指導學生根據(jù)需求選擇適合的結(jié)構(gòu)類型進行計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計，這也和計算機控制技術(shù)的教學定位相匹配。

在計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實例部分中，按照計算機控制的單元技術(shù)和集成技術(shù)分別給出實例。為了培養(yǎng)學生根據(jù)工藝和任務(wù)設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的能力，采用開放式任務(wù)的形式給出實例。以計算機控制的單元技術(shù)設(shè)計任務(wù)為例進行說明。該任務(wù)以設(shè)計一個溫度控制器為目標，在任務(wù)描述中，針對不同層次的學生，給出了基本要求和提高要求。為了引導學生學會應用知識解決問題，給出了各個設(shè)計任務(wù)與課程章節(jié)知識的對應關(guān)系。針對設(shè)計任務(wù)，給出了實現(xiàn)的技術(shù)路線示例，但鼓勵學生根據(jù)要求設(shè)計出自己的控制系統(tǒng)。

3 課程內(nèi)容的更新與取舍

將“計算機控制技術(shù)”課程定位于構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)的共性技術(shù)。以此為出發(fā)點，對課程內(nèi)容的更新與取舍就有了依據(jù)。

3.1 課程內(nèi)容的更新

從20世紀70年代開始，隨著微型計算機的普及和計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，針對小型計算機控制系統(tǒng)的單元技術(shù)，和針對大中型計算機控制系統(tǒng)的集成技術(shù)都得到長足的發(fā)展。隨著以工業(yè)4.0、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為標志的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)開始，很多新的技術(shù)被應用于計算機控制系統(tǒng)，因此，計算機控制技術(shù)課程也應緊跟技術(shù)的發(fā)展，淘汰不再使用的舊技術(shù)，并增加新的技術(shù)內(nèi)容。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，自動化水平不斷提高，大量的智能單元應用于工業(yè)現(xiàn)場，因此，計算機與智能單元之間，計算機與計算機之間的數(shù)據(jù)共享和信息交換，都必須通過數(shù)據(jù)通信來解決，除過程通道與現(xiàn)場溝通外，數(shù)據(jù)通信也成為與現(xiàn)場溝通的重要信息通道。而隨著以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代信息技術(shù)的興起以及向工業(yè)領(lǐng)域的融合滲透，多個國家紛紛提出了以智能制造為核心的再工業(yè)化戰(zhàn)略，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合，促進工業(yè)數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化發(fā)展。因此，計算機控制技術(shù)中的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要性越來越高。

在通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，很多教材遠遠落后于技術(shù)的發(fā)展，如有些教材的現(xiàn)場總線標準甚至還停留在2003年IEC61158 第3版的階段。10多年過去了，加入多種實時以太網(wǎng)解決方案，包括20個類型的IEC61158標準的第4版在2007年已經(jīng)發(fā)布。而伴隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)如NB-IoT和LoRa等會成為計算機控制系統(tǒng)中的一種重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過在課程中增加該方面的內(nèi)容，能讓學生了解最新的技術(shù)，并理解這些技術(shù)在國家重大戰(zhàn)略的中的地位。

除增加通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)容比重外，一些現(xiàn)有教材少有涉及的一些新的技術(shù)也增加到了課程中，如在A/D轉(zhuǎn)換原理中，增加了近年來在儀器中廣泛采用，可達到16～24位轉(zhuǎn)換精度的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換原理的講授。

總之，計算機控制技術(shù)的課程應該緊跟信息與通信技術(shù)的發(fā)展，以構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)為目標，用新的技術(shù)賦能學生。

3.2 課程內(nèi)容的取舍

根據(jù)構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)的共性技術(shù)的課程定位，本課程不再以連續(xù)化設(shè)計方法和離散化設(shè)計方法以及其穩(wěn)定性的分析目標組織教學內(nèi)容，將屬于“自動化控制理論”的離散控制系統(tǒng)設(shè)計和分析回歸到“自動化控制理論”。

控制策略部分的內(nèi)容聚焦于控制策略的具體實現(xiàn)。在這一部分中，首先，講授應用最為廣泛的數(shù)字PID控制器的實現(xiàn)、改進和參數(shù)整定；其次，針對實際計算機控制系統(tǒng)中，有些被控對象特性比較復雜，或控制要求比較特別的情況，講授基于數(shù)字PID的多回路復雜控制系統(tǒng)，從而使學生構(gòu)成相對完整的數(shù)字PID控制知識體系。對于先進控制策略，則選擇了在實際控制系統(tǒng)中應用最廣泛的先進控制策略——模型算法控制進行重點介紹，在介紹其原理、實現(xiàn)和參數(shù)整定的基礎(chǔ)上，還為感興趣的同學介紹了Matlab中MPC工具箱對預測控制的仿真方法。對于其他先進控制策略，則立足于控制策略思路的簡介。在控制策略的最后部分，從編制控制策略程序模塊的角度安排了“控制策略的工程實現(xiàn)”的教學內(nèi)容。

同時，通過強調(diào)計算機控制技術(shù)課程的“共性技術(shù)”特征，“計算機控制技術(shù)”與“單片機”“可編程邏輯控制器”“數(shù)字信號處理器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等課程的關(guān)系問題也就迎刃而解了。“單片機”“可編程邏輯控制器”“數(shù)字信號處理器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等專注于各自的“專有技術(shù)”，由于“共性技術(shù)”已集中于“計算機控制技術(shù)”，在這類課程中就沒有必要重復講授了。這樣也避免了不同課程內(nèi)容重疊。學生在學習計算機控制共性技術(shù)的基礎(chǔ)上，再選修1～2門的屬于專有技術(shù)的課程，知識結(jié)構(gòu)將更加合理。

4 結(jié)語

本文是作者在15余年講授“計算機控制技術(shù)”的過程中，通過不斷的梳理總結(jié)，逐漸將“計算機控制技術(shù)”聚焦于構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)的共性技術(shù)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建“計算機控制技術(shù)”的內(nèi)容體系，一方面與離散控制系統(tǒng)設(shè)計相區(qū)別，另外一方面又可與如“單片機”“嵌入式系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理器”“可編程控制器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等課程很好地形成互補關(guān)系，進而構(gòu)成課程組，在有限的學時中，共性技術(shù)和專有技術(shù)相結(jié)合，更有效地培養(yǎng)學生應用知識和解決復雜工程問題的能力。

雖然通過多年的教學實踐取得了較好的效果，但由于本人視野和水平有限，難免存在偏頗和錯誤之處，僅以此文拋磚引玉，共同探討。