“计算机控制技术”课程教改研究与实践

张 婧， 盖文东， 高宏岩， 卢 晓

(山东科技大学 电气与自动化工程学院, 山东 青岛 266590)

“计算机控制技术”课程教改研究与实践

张 婧， 盖文东， 高宏岩， 卢 晓

(山东科技大学 电气与自动化工程学院, 山东 青岛 266590)

针对“计算机控制技术”课程的特点及学生难以将离散控制理论与工程应用实际结合的问题，本文采用案例教学法，将案例与该课程的章节及其它课程章节相联系，让学生认识到本专业知识的连贯性。经过两年的教学实践，该教学法提高了教学质量，培养了学生分析、解决问题的自主学习能力，有利于应用型专业技术人才的培养。

计算机控制技术；教学改革；案例教学法

0 引言

“计算机控制技术”是工科院校自动化本科专业开设的一门专业课程，是本科专业基础理论的综合应用，是自动控制理论实际应用的基础。随着控制理论、计算机技术和网络通信技术的发展，在计算机控制系统领域里产生了新的理论和方法，不同阶段的学生对理论与实践的认识也随之发生着变化，因此该课程教学也应该不断适应新发展和专业实际需要进行调整和改革，突出理论与技术工程化应用的特色[1]。

案例教学法是1920年由美国哈佛商学院提出的，在学生掌握有关基本知识和分析技术的基础上，根据教学目标和教学内容的需要，教师设置具有代表性的典型案例，由学生进行针对性地分析、讨论和表达，得出各自不同的结论，以培养学生分析问题和解决问题等综合能力的一种教学方法[2]。

本文从“计算机控制技术”课程的特点出发，结合近几年教学过程中出现的问题，采用案例教学法把控制理论中常见的一个实际应用案例引入课程的教学，将各章知识点串联起来，使整门课程形成一个完整有序的体系，并鼓励学生参加科技实践。这样做不仅提高了课堂教学质量和学生掌握本专业知识的连贯性及熟练度，而且为学生后续课程的学习、毕业设计的完成以及今后从事计算机控制系统开发工作奠定基础。

1 课程特点及教学现状分析

“计算机控制技术”是以自动控制技术、微机原理与接口技术、模拟电路与数字电路为基础，涉及计算机控制系统的过程通道和程序控制设计、控制器设计、工程实现技术等内容，具有知识面广，知识集成度高，理论性、实践性与工程性都很强的特点，可以说本门课程浓缩了自动化专业的知识精华，在自动化专业的课程体系中具有承上启下的作用[3]。

由于存在以上特点，学生难以在有限的课时内全面掌握本门课程的主要内容，只能掌握计算机控制系统的大概框架，难以将离散控制理论与工程应用实例相结合。

本门课程的教学目标是希望学生能够掌握计算机控制系统设计的步骤、方法及分析问题、解决问题的能力，因此在历年考试中都会出现一个设计题目，以检验学生在这方面的掌握程度。但大部分学生仅能写出此题的设计步骤，难以根据要求设计出一个基本实用的控制系统，因此该题的得分率较低；其次，自动化类专业学生的毕业设计是全面提高学生计算机应用能力的重要环节，而学生在面对工程控制系统的设计开发时往往感到无从下手，缺乏利用所学知识解决实际问题的能力，从而导致学用脱节[4]，甚至产生“书本或理论无用论”的错误思想。

2 课程教学改革方案

2.1 引入案例教学法与教学内容相结合

电阻炉温度控制系统是在学生前期上过的“自动控制原理”课程中作为示例来分析的一个自动控制系统，其原理图如图1所示。

图1 电阻炉温度控制系统

在本课程中，将此案例再次引入，学生对其不会陌生，因此可进一步提出问题供学生思考讨论，如何将图1改成一个由单片机和数据采集卡实现的具有温度采集、控制算法计算、输出控制、监控画面等功能的计算机控制系统？

经过课堂上的思考讨论，学生能够绘制出电阻炉计算机温度控制系统的结构图如图2所示。

图2 电阻炉计算机温度控制系统结构图

为了设计满足控制性能指标的电阻炉计算机温度控制系统，按照图2将控制系统的设计分成三部分：

(1)单片机及外设：单片机主要完成控制软件的设计，包括数字控制器的设计、数据处理、报警设计等，单片机将采集的电阻炉的温度(电信号)等模拟量，根据预先编写好的程序将其转为数字量并与给定电压比较，作出控制决策，再通过过程输出通道及时地发出控制命令；可根据控制要求添加装有组态软件的上位机、键盘或打印机等外设。

(2)过程通道及接口：过程通道可分为输入通道和输出通道，输入通道是通过检测变送元件将采集的温度(电信号)等模拟量通过滤波、隔离、放大等措施后进行A/D转换并送入单片机；输出通道是将单片机输出的数字量命令进行D/A转换为模拟量(电信号)经放大后发送给执行元件；接口是连接通道与单片机之间的设备。

(3)检测与执行机构：检测变送元件是将采集的温度转换成标准电信号(1～5 V或4～20 mA)；执行元件是根据输出通道发送的电控制信号改变电阻器指针位置，调节电阻丝两端的电压改变电阻炉炉内温度，使之符合控制要求。

控制系统设计的三部分和其基本功能都与本门课程的各章节及其它课程的章节有联系，如图3和图4所示。在授课过程中，将其之间的联系在多媒体上罗列显示出来，引导学生进行总结，使学生带着问题去学习本门课程和其它课程，这样学习目标明确，针对性强，不仅本门课程的内容更容易掌握，也会加深学生对本专业各门课程之间联系的理解，更会使学生对离散控制理论与工程应用实例的结合有初步的认识。

“计算机控制技术”主要涉及离散控制系统的分析与设计方法，其内容的重点、难点在于：①过程通道及接口的设计；②数字控制器的设计方法；③计算机控制系统的数据处理及应用中抗干扰措施和解决方法等。对于电阻炉计算机温度控制系统来说，如图4所示，当控制器选为单片机时，需要考虑过程通道接口的设计；采集温度并传输时需要考虑是否存在干扰信号，在单片机接受采集信号时需要对数据进行处理等一系问题；在设计数字控制器时可以考虑将其设计为数字PID控制算法，也可以设计为最少拍控制，还可以根据温度滞后的特点设计大林算法等。这些内容都与“计算机控制技术”的重点、难点相契合。

图4 控制系统与本门课程的联系

上述案例可以使学生了解到计算机控制系统软、硬件组成及设计步骤和设计方法，由浅及深，可以引发学生的求知欲。在课堂组织上，在讲解一个新章节时，首先演示上述案例与该章节知识点的联系，让学生在学习新知识点之前先建立“这个知识点有什么用处”的感性认识，然后再引入知识点理论讲解，并讲述上述案例相关部分的设计过程[2]。如此这般，学生不仅可以牢固掌握知识点，还可以灵活运用该知识点完成不同计算机控制系统的设计和开发，实现将离散控制理论与工程应用实例相结合。

2.2 科技实践与教学内容相结合

本门课程在课堂内主要安排基础理论的学习，将实践动手的内容安排在实验教学内。实验教学分为验证性和设计性两个模块。验证性实验是教师根据课程某些章节需要，要求学生在已有的实验方案基础上进行相关实验操作，验证理论知识并加深理论知识的理解和掌握，强化学生的实际操作能力；设计性实验是教师提出某些与课程内容相关课题的实验内容和实验要求，要求学生在三周内综合利用所学的知识和实验技能完成实验方案的设计、论证和相关操作，同时加强学生利用计算机、Matlab软件和组态软件进行辅助实验的能力，最终得出实验结果和实验结论，如文献[5]介绍的双容水箱液位控制系统的设计。

针对“计算机控制技术”课程的特点，鼓励学生开展科技创新活动，引导学生申报大学生创新设计课题，积极参与教师的科研课题。在课堂教学中，提供与课程内容相关的设计题目与学生讨论学习，如智能机器人匀速行走的PID控制和最少拍设计，四旋翼飞行器姿态的PID控制，针对抄纸过程中纸张定量控制回路大时滞特性的Smith预估控制等，以此提高学生的学习兴趣。鼓励学生在课外根据自己感兴趣的领域，有选择性地参加全国电子设计竞赛、全国大学生飞思卡尔杯智能汽车竞赛、全国大学生西门子工业自动化挑战赛、全国大学生机器人大赛等各项科技竞赛，通过自己动手掌握相关的知识，经历从系统的方案设计到控制系统装置的制作整个过程，调动学生自主学习的积极性和创新性，培养学生分析问题和解决问题的自主学习能力。

3 课程教学改革的实践

“计算机控制技术”课程教学改革在我校已实行两年，收到了良好的教学效果。在这门课程结束的前一周布置设计任务，列出电阻炉温度控制系统、双容水箱液位控制系统、锅炉控制系统，包括锅炉汽包水位控制系统、锅炉过热蒸汽温度控制系统、锅炉过热蒸汽压力控制系统和锅炉燃烧控制系统等多个设计课题，组织3-4名学生为一组通过查阅相关文献和资料，在所学知识基础上选择以单片机或可编程控制器为控制器，根据控制系统特点选择不同的控制算法，设计出满足控制性能指标的控制系统，写出详细的设计报告。在最后一周的课堂上给予充分时间让学生论述自己的设计方案，其他学生可以根据设计方案提出相关问题进行相互讨论，以完善设计课题。通过本门课程的学习，大部分学生不仅能够掌握这门课程的主要内容，在考试成绩上也有明显进步，特别是在课程设计部分，学生得分明显升高，达到这门课程的教学目的，而且具备了设计微型计算机控制系统的能力，能够将所学知识与工程应用实例相结合；在参加各种科技创新活动时，学生可以运用所学知识设计性能更优的数字控制器，在全省甚至全国都取得优异的成绩，学生在兴趣—学习—兴趣的循环中学到知识，进而增加学生学习的积极性和学习质量，符合教学大纲提倡的培养应用型人才的要求，而且受到了学生的欢迎。

4 结语

在“计算机控制技术”的教学过程中，案例教学法的引入，使学生通过已掌握的知识来探讨新知识，通过一个案例将本门课程的重点、难点联系起来，从而提高课程本身的系统性、完整性，使学生可以将本门课程与其它课程相联系，让学生认识到本专业知识的连贯性，而且可以解决学生难以将离散控制理论与工程应用实例相结合的问题；鼓励学生参加科技实践，使学生通过感兴趣的领域激发学生的求知欲，增加学习兴趣。本文提出的教学改革方法不仅提高了学习效率和教学质量，而且可以培养学生分析问题和解决问题的自主学习能力，有利于应用型专业技术人才的培养。

[1] 李云霞, 康波, 邹见效.《计算机控制系统》教学改革思路和实践[J]. 成都:实验科学与技术, 2012, 10(2):70-72

[2] 刘瑜, 韩震. 案例教学法在“遥感原理”实践教学中的应用[J]. 上海:实验室研究与探索, 2013, 32(9):164-166

[3] 余雷, 张茂青, 费树岷. “计算机控制技术”课程PID控制部分的教学[J]. 南京:电气电子教学学报, 2012, 34(2):104-106

[4] 邢航, 张铁民. “计算机控制技术”教学改革探索与实践[J]. 上海:实验室研究与探索, 2007, 26(12):370-372

[5] 盖文东, 张婧, 赵伟志. 基于OPC技术的过程控制仿真实验设计[J]. 北京:实验技术与管理, 2015, 32(10): 132-135

Research and Practice of Teaching Reform on Computer Control Technology Course

ZHANG Jing, GAI Wen-dong, GAO Hong-yan, LU Xiao

(CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

Aim at the characteristics of the Computer Control Technology course and the problem of the combination between the discrete control theory and the engineering application examples, the case teaching method is adopted in this paper. The chapters of the course and the others are related to the case, and the consistency of the knowledge of the major could be realized by students. Using the proposed teaching reform method for two years, the study efficiency and the quality of teaching are not only improved, but the autonomous learning ability is cultivated of analyzing problems and solving problems. The teaching reform method is conductive to cultivating the applied professional persons.

computer control technology; teaching reform; case teaching method

2016-06-22;

2016-11- 12

山东科技大学电气与自动化工程学院青年教师教学拔尖人才培育计划项目(skzdhjxbj153)；山东科技大学电气与自动化工程学院优秀教学团队建设计划项目(skzdhjxtd152)；山东省研究生教育创新计划一般项目(SDYY16002)；山东科技大学自动化学院名校工程建设项目(MX-JXGG-2) 。 第一作者：张 婧(1982-)，女，博士，讲师，主要从事自动控制原理及计算机控制技术的教学、控制理论与控制工程和模式识别与智能系统的研究工作，E-mail：zjing133@163.com

TP273

A

1008-0686(2017)03-0091-04