“计算机控制技术”课程实验教学探讨

张 向 锋

(上海电机学院 自动化系，上海 200240)

0 引 言

计算机控制技术是计算机技术、自动控制技术、微电子技术、自动检测和传感技术有机结合、综合发展的产物。计算机控制技术的应用领域越来越广泛，不仅包括航空航天等国防高精尖领域，还在现代化的工、农、医等领域发挥重要作用[1]。计算机控制技术课程已经成为我国工科院校电气信息类、机械类等大类中有关专业普遍开设的一门重要的专业课, 不仅需要学习抽象的理论知识，而且具有较强的工程技术背景[2-3]。上海电机学院电气学院开设的计算机控制技术课程是自动化、电气工程及其自动化专业等专业的专业课[4-5]。这就要求学生了解并掌握如何合理地选择和组织工业控制计算机的软件、硬件、外围设备和接口通道以及控制管理生产过程的基本原理和方法，将控制对象、计算机、传感器、通道和接口、执行机构、系统软件和各种应用软件组成一个有机的整体，形成完整的计算机控制系统。通过本课程的学习，使学生具备一定的计算机控制系统的设计、调试、维护等理论知识和实际能力。计算机控制技术课程的特点是实践性强、与专业课密切相关，它涉及的基础理论和知识面较广[6-8]。计算机控制实验是计算机控制技术课程的一部分，在本课程的教学体系中通过完成相关实验和进行课程设计，观察和分析实验现象，加深对基本概念和规律的认识，以提高自己理论联系实际、解决工程实际问题的能力。

1 计算机控制实践教学的设计思想

教学实践是实现人才培养目标的重要环节，实践教学是理论联系实际的很好的教学方式[9-10]。计算机控制技术课程实践环节，着重培养学生的学习能力、创新精神和工程实践能力[11-12]。本课程教学大纲中对实践教学提出相应的要求，学生必须完成一定学时的实验，通过实验能够加深对课程理论知识的理解。

由于计算机控制新知识、新技术更新的速度越来越快，这就要求在教学环节中注意培养学生的自学能力，使学生通过自学掌握新知识，适应社会的快速发展。其次，通过形式多样的实践环节，不仅能够培养学生分析问题和解决问题的能力，验证所学理论，而且对所学内容能够提出一些新的见解。通过实验，可以活跃学生的学术思想，全面提高学生的综合素质，为提高学生的创新能力打下坚实的基础。并且，通过实验实践教学活动，提高学生的实践动手能力，这对于应用型人才来讲至关重要。通过实践教学环节，能使学生加深对课堂上所传授的基本概念和基本原理的认识，验证所学理论，对所学内容能够提出一些新的见解。在实验过程中锻炼和提高学生的工程实践能力，达到培养应用型人才的目的。

2 实验系统及实验内容的设计

为了保证计算机控制技术课程的实验教学质量，学院对控制技术实验室进行了重建，购置了22台控制系统实验平台。每套装置每次供1到2位同学使用，保证每位同学能动手操作并进行软件编程，充分发挥自己的能动性。

2.1 硬件平台及软件开发环境

计算机控制实验系统由上位PC微机(含实验系统上位机软件)、实验台、USB2.0通讯线等组成。实验台内装有以C8051F060芯片(含数据处理系统软件)为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。控制理论实验台主要由计算机控制技术及物理对象(电机转速与温度控制、液位控制)等部分组成。计算机控制技术模块由电源部分、元器件单元、数据处理单元、非线性单元及模拟电路单元等15个单元组成。其中电源单元包括电源开关、保险丝，提供+5 V，-5 V，+15 V，-15 V，0 V，1.2～15 V可调电压的输出。元器件单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另外提供了插接电路，供放置自己选定大小的元器件。数据处理单元完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位PC机进行通讯。非线性单元为典型的非线性环节电路。模拟电路单元由运算放大器与电阻、电容等器件组成，由场效应管组成的电路用于锁零。在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。计算机控制实验的上位机控制程序是与硬件平台配套的程序。上位机控制程序可以通过该数据处理系统完成8通道数据采集输入(同时采集最多2通道)和2通道检测波形输出(同时输出最多2通道)。在该实验系统的上位机上可以完成计算机控制实验所需的检测信号发生、数据采集、控制计算以及数据输出等任务，并提供虚拟示波器功能，将支持多种波形显示方式和后期图像数据处理。

实验时学生可根据不同的实验内容选用不同的模块、单元组成不同的硬件系统，配合上位机控制程序，组成计算机控制系统，尽可能创造接近于工业现场的实验环境。

2.2 实验内容

学生学习了电子线路、自动控制原理、计算机原理、计算机控制等相关课程后，已具备了计算机控制技术的基本知识。但在设计和组成计算机控制系统时仍会遇到许多问题。因此，在实践中教师应鼓励和吸引学生投入到教学环节之中。学生直接参与分析问题、解决问题，运用所学的知识、理论、方法，发挥自己的推理、思考及设计等各种实际能力。根据实验内容主要分为验证性实验、综合性实验和设计性实验3种类型[13-14]。验证性实验通常是指让学生针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果、巩固和加强计算机控制技术的基本理论内容、培养实验操作能力为目的的重复性实验。它是建立在已知结论的基础上的，实验原理、实验结果是已知的，因此实验步骤的设计也应合乎必然产生的实验结果。这部分的实验主要有“A/D与D/A转换”、“数字PID控制算法的研究”等。综合性实验是指实验内容涉到计算机控制技术课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。学生在具有一定知识和技能的基础上，运用某一门课程或多门课程的知识、技能和方法进行综合训练的一种复合型实验。这部分的实验主要有“水箱液位控制系统”等。设计性实验是给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。学生运用已掌握的计算机控制技术基本知识、基本原理和实验技能，提出实验的具体方案、拟定实验步骤、选定仪器设备、独立完成操作、记录实验数据、绘制图表、分析实验结果。这部分的实验主要有“直流电机转速计算机控制”、“电加热炉温度计算机控制系统设计”等。

3 实践教学方法和手段的改革

随着实验教学的不断深入，学生对实验方法及实验资源掌握的水平也在不断提高。教学的深度和难度也随之变化。在实验教学过程中，强调教学的目的是培养高质量的技术应用型人才。让学生从被动学习变为自主性学习，提高学生的学习兴趣。同时，在实验过程中注重实物操作实验和仿真实验相结合，培养学生的思维能力和理论研究能力[15-16]。为此，我们从以下几个方面进行实验教学改革。

(1) 实验类型的改革。减少了验证性的实验内容，增大了综合性、设计型实验。通过让学生亲自动手完成自己设计的系统，以真正提高综合知识的运用能力及动手能力。例如学生利用加热装置、数据采集卡、上位机、虚拟仪器软件Labview等软硬件，可以自行设计完成温度控制系统实验平台。在实验教学过程中，学生可以完成硬件选型、系统搭建、算法选择及软件编程这样一个完整的过程。通过调试，发现问题并解决问题，从而体验理论设计和工程实际的区别。通过把理论知识转化为实际的系统，提高了学生的系统搭建和整体调试的综合能力。

(2) 实验内容的改革。通过教学内容改革可以让学生加深对概念的了解，促进教学效果的提高。在讲授计算机控制规律如PID数字控制、计算机控制系统的稳定性等理论性较强的内容时，可适当把Matlab/Simulink 仿真引入到课堂教学和实验教学中。学生在实验过程中，利用Matlab/Simulink建立计算机控制系统的数学模型，并进行仿真调试。根据获得的控制效果，分析控制模型的不同参数对控制结果的影响。

(3) 指导方法的改革。在指导实验的过程中，教师主要保证试验设备的完好，检查学生的实验操作情况，考核实验结果等。鼓励学生运用所学的理论知识，利用实物实验和仿真实验相结合的形式，对比分析实验结果。对实验中出现的问题，采取一起讨论的方式，教师主要从解决问题的思路上给予指导。

(4) 增加实践教学环节。课程设计是教学计划中进行综合训练的重要实践环节，它将使学生在综合运用所学知识解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。为此，本课程增开了相应的课程设计，目的是通过大量的软、硬件实验，由浅入深的实践，从而让学生更好地掌握对计算机控制技术理论知识的运用。

总之，通过以上教学方法和教学手段的改革，尽可能使学生由被动的接受者转变为主动的参与者, 提高学生动手应用能力，为毕业设计教学环节和今后从事实际工程实际设计、维护等工作打下良好的基础。然而随着科学知识的不断更新，行之有效的实验教学方法和手段还有待于进一步的反馈和完善。

4 结 语

在近几年的教学过程中，注重实践教学平台的构建，注重学生对教学内容和实验技能的掌握，注重培养学生的学习能力、创新精神和工程实践能力。在以后的教学过程中，教师仍应不断思考和探索，增加学生对实验课的兴趣，提高实验效果，达到培养技术应用型人才的目的。

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