基于CDIO+PBL模式的计算机控制技术的实践与创新

李敏艳 唐鸿儒 李生权 黄亚忠

摘 要：针对计算机控制技术课程的教学涉及面广、理论与实践性强的特点，构建了一种基于PBL+CDIO的多元立体化实践教学模式。在课堂教学、基础实验、课程设计、专业综合课程设计等不同阶段，选取了经典控制PID算法为基础，结合直流电机转速控制为目标。以问题为中心，以项目为主线，系统地阐述了如何引导学生完成一个完整的计算机控制系统的设计、仿真与实现。该教学模式有助于提高学生的工程实践能力和创新能力，同时也为教学改革提供理论和实践基础。

关键词：计算机控制技术；PBL+CDIO教学模式；多元立体化实践教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）22-0035-03

Abstract： Aiming at the characteristics of wide-ranging， theoretical and practical teaching of computer control technology courses， a multi-dimensional practice teaching mode based on PBL+CDIO is constructed. In the different stages of classroom teaching， basic experiment， curriculum design and professional comprehensive curriculum design， the classical PID algorithm is selected as the foundation， and the speed control of DC motor is the target. Focusing on the problem and taking the project as the main line， it systematically expounds how to guide students to complete the design， simulation and implementation of a complete computer control system. This teaching model is helpful to improve students' practical and innovative ability in engineering， and also provide theoretical and practical basis for teaching reform.

Keywords： computer control technology； PBL+CDIO teaching mode； multi-dimensional practical teaching

一、PBL和CDIO相融合的教学模式简介

计算机控制技术是一门融合计算机技术、控制理论和计算机通信技术等发展起来的理论和实践相结合的新型交叉学科。它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论相结合，应用渗透于工业生产过程， 并设计出合理的计算机控制系统。在课程教学改革中，降低传统LBL教学模式的使用频率，探索PBL和CDIO相融合的多元立体化教学模式。PBL教学强调以问题为引导，通过学习者的自主探究和合作来解决问题；而CDIO教学侧重过程实践，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。两种模式有机结合、融会贯通，有助于培养学生自主學习和解决复杂工程问题的能力。

二、PBL+CDIO教学模式的实施

（一）课程内容与教学进度安排的改革

为实现课程的多元立体化实践教学模式，我们将教学体系划分为四个阶段：课堂教学、基础实验、课程设计和专业综合课程设计。这四个阶段循序渐进，组成了一个相互验证、相互促进的有机整体。各阶段包含的主要问题相互呼应，同一类问题在不同阶段采用不同的方式加以解决和验证。同时课程与课程群中的相关课程环环相扣、相辅相成，这对拓宽学生的知识面，提高学生的判断能力、分析能力和决策能力有极大的帮助。

（二）基于PBL+CDIO的课堂教学开展

结合PBL+CDIO教学模式，我们选择了“数字PID控制的参数整定方法”等6个项目课题。课题与课程的重点和难点密切结合，以学生自主学习为中心，将提出问题、分析问题、解决问题、反思与应用等连续递进的过程穿插于理论教学中开展。

以课题“数字PID控制的参数整定方法”为例，电气1401班35名学生，自主组成了10个项目小组。各小组在明确学习目标后分配任务，开展项目设计与实施，最终进行项目汇报讨论及总结。在课题实施过程中，学生对数字PID的原理、设计、改进方法进行了分析与探索；对各种参数整定方法，如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、凑试法、优选法的适用场合和特点进行比较、讨论和总结。这种以问题为中心的教学模式收到了良好的教学效果，学生从多方面、多角度深入掌握了知识难点，这不仅提高了学生学习知识的主观能动性，而且还培养了学生的团队合作与创新能力。

（三）基于PBL+CDIO的基础实验实施

实验教学是培养学生实践创新能力的一个重要途径，学生需要通过实验来证明和巩固理论知识体系。我们安排了与理论知识密切关联的“数字PID控制”等4个实验。

实验的开展也遵循PBL+CDIO教学模式的流程。以实验“数字PID控制”为例，教师先提出闭环控制系统的控制要求和性能指标；学生以课堂教学中的课题为基础，自己设定被控对象，选择相应的PID算法和参数整定方法，分组进行，完成相关的设计要求。以某组学生选定的被控对象G（s）=■为例，先在“TD-ACC+”实验系统上选择运放及阻容元器件搭建被控对象电路。然后构建由控制计算机、A/D转换器、D/A转换器、信号源、被控对象等组成的计算机控制系统。控制算法选用带积分分离的位置型PID，参数整定方法采用扩充临界比例度法及凑试法。运行闭环控制系统，最终选定一组参数Kp=2，Ti=400s，Td=5s，T=0.05s，得到如图1所示的超调<10%、调节时间<1s、稳态误差趋于零的阶跃响应曲线。

同时，该实验与课堂教学环节中的“数字PID控制的参数整定方法”课题相对应，实现了从理论到实验的过渡。从实验报告中看出，该实验起到了良好的实践验证效果。

（四）基于PBL+CDIO的课程设计实施

以PBL+CDIO为主导思想，课程设计从模块项目确定开始，经方案构思与设计、仿真验证、画图、搭建电路与编程、系统调试，到最后的验收汇报。我们设计了位置型PID、大林算法、施密斯预估控制等8种控制算法，结合直流电机、步进电机、电炉温度和水箱液位等4类被控对象，完成了一个完整的计算机控制系统的设计与实现。整个课程设计进程分仿真设计和控制系统实现等两个部分。

（1）仿真设计。以“基于位置型PID的直流电机转速控制”题目为例，为了方便对比和验证，学生选用了与实验教学中相同的被控对象。首先在Simulink中建立系统仿真图，如图2所示。图中控制器的具体功能通过一个S-function函数来实现，该控制器采用的是带抗积分饱和的位置型PID控制算法，相关算法编程如下：

function sys=mdlOutputs（t，x，u，Kp，Ti，Td，T）

global umax uk ek ek_1 sum

ek=u（1）-u（2）；

sum=sum+ek；

k=Kp*[ek+T/Ti*sum+Td/T*（ek-ek_1）]；

ek_1=ek；

if uk>umax uk=umax； end

if uk<-umax uk=-umax；end

sys=[uk]；

取参数Kp=1.5，Ti=100s，Td=0.1s，T=0.02s，仿真得到超调<5%、调节时间<1s、稳态误差趋于零的单位阶跃响应曲线，如图3所示。

（2）控制系统实现。在Simulink仿真基础上，设计出直流电机转速控制系统方框图，如图4所示。

PID控制器输出PWM信号经驱动后控制直流电机运转；霍尔测速电路记录电机转速构成反馈量，计算偏差，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速运转。学生最终完成硬件电路的设计与搭建、编程、系统调试和验收汇报。取参数Kp=1.6，Ti=60s，Td=20s，T=0.05s，得到如图5所示直流电机转速控制响应曲线。电机转速设定为50转/秒，超调<10%，调节时间<1s，满足了设计要求。学生对此次课程设计的评价非常满意，一致认为真正实现了理论、仿真与实践相结合，受益匪浅。

（五）专业综合课程设计的探索

依据专业认证标准，专业培养方案课程体系中增设了3周的专业综合课程设计。它是我院电气专业的专业实践性环节，在第七学期末开设。在计算机控制技术、自动控制原理等课程群基础上开发了若干项目，引导学生完成方案设计、详细设计、开发、调试、验收、考核、撰写设计总结报告等工作。我們设计了“基于LabVIEW的直流电机控制系统”等若干项目，对课程间的知识、方法、问题进行了整合，使它们相互照应，渗透互补；同时也促进了课程结构的优化，为后续的毕业设计奠定了基础。

三、结束语

实践证明，在工程教育专业认证背景下，计算机控制技术课程的教学改革以CDIO+PBL的多元立体化实践教学模式为基础，以培养工程应用创新能力为主线，注重工程思维，强化实践能力，培养创新精神，为创新自主学习型人才的培养和教学改革提供了理论和实践基础。

参考文献：

[1]于海生，丁军航，潘松峰.微型计算机控制技术（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2017.

[2]周俊.计算机控制技术[M].南京：东南大学出版社，2016.

[3]林健.基于工程教育认证的卓越工程师教育培养计划质量评价探析[J].高等工程教育研究，2014，5：35-45.

[4]顾佩华，胡文龙，陆小华.从CDIO在中国到中国的CDIO：发展路径、产生的影响及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017，1：24-43.

[5]杨燕，李振璧，马莹.《计算机控制技术》课程教学改革与研究[J].高教学刊，2017，6：115-117.

[6]王宏祥，曾红.基于CDIO模式强化课程实践教学探索与实践[J].实验室研究与探索，2016，35（10）：196-199.

[7]王丽玫，王春芝.基于PBL的CDIO实践教学体系构建[J].廊坊师范学院学报，2014，14（5）：116-117.

[8]闫明明，杨平，熊静琪.基于Matlab/Simulink辅助的《计算机控制技术》实验案例[J].实验科学与技术，2014，12（2）：53-55.

[9]朱永红，刘蜀阳，王建宏.基于CDIO理念《计算机控制技术》一体化教学改革与实践[J].景德镇学院学报，2015，30（3）：41-44.

[10]李敏艳.计算机控制技术课程设计的创新与实践[J].实验室科学，2010，13（2）：112-114.