以实践为导向的“计算机控制技术”教学改革

黄江茵

（厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门361024）

0 引言

在我国理工科院校中，对于诸如自动化这类与工程应用有着密切联系的专业来说，学生的工程实践水平和产品设计能力十分重要，这直接决定着学生的就业和发展前途，也影响着社会企业对学校培养模式的认同度［1］。现有的专业课程教学模式大多以课本知识的讲解为主，强调复杂的概念和公式推导，较少涉及工程应用实例的实践，这直接造成学生对各门专业课之间的联系和整体知识脉络结构理解不清，对本专业知识的应用领域和相关产品不甚了解，知识和实践应用脱节，缺乏工程经验。

“计算机控制技术”课程是自动化专业的一门重要课程，其核心知识点“数字控制器的设计”在工业中具有广泛的应用空间。大量的工业生产企业急需自动化专业学生运用专业知识设计控制器，改善控制性能，提高经济效益［2］。然而大多数学生缺乏工程实践经验，专业知识的学习和实际应用能力脱节，难以满足企业需求。所以，有必要对该课程的教学模式进行改革，培养符合企业需求的应用型人才。

1 传统教学方法弊端分析

“计算机控制技术”课程传统教学方法的弊端主要包括下面几个方面：

1）专业知识与工程应用实践脱钩

“计算机控制技术”课程重点内容，如数字PID控制器的设计和改进、最少拍数字控制器的设计、先进控制算法理论等在实际工业系统的控制中具有广泛的应用空间［3～4］。然而学生由于缺乏工程应用实践经验，无自动控制系统施行过程的概念，对工业控制原理等理解不易透彻，难以充分了解所学知识的应用领域，导致学习兴趣索然，专业知识限于纸上谈兵，与工程应用实践脱钩。

2）学生面临就业压力，工程经验欠缺

我校“计算机控制技术”课程在大四上学期开设，学生正面临将要到来的就业压力。由于在课程知识学习的同时积累的工程经验太少，不仅在求职竞争中不具优势，也难以提前了解相关行业的工作性质和内容，把握就业方向。

3）自主学习和分析沟通能力较弱

学生由于长期处于被动吸收知识的授课模式下，自主发现问题并解决问题的能力较弱。此外，由于缺乏充分表达的锻炼机会，大多数学生的沟通能力也较为欠缺，这也将直接影响就业面试时对自身优势的展示。

2 以实践为导向的教学模式探索

针对以上对“计算机控制机技术”课程传统教学方法弊端的分析，结合自动化专业学生的基础知识结构、专业要求和实验室条件，本文探索出一套以工程实践为导向的，解决现存学生求知意识薄弱、工程经验欠缺、沟通和总结分析能力较差等教学问题的改革方案。具体改革内容包括以下几个方面：

1）科学分析学生特征及企业需求，探寻合适改革方案

在本课程正式授课开始前，通过调查问卷形式，结合对学生“自动控制原理”、“控制系统数字仿真”等与控制系统分析设计相关的核心课程成绩分析，了解学生的系统自动控制体系知识掌握情况以及对课程改革思路的建议。还通过与企业招聘人员、应届毕业生交流了解就业单位对学生工程实践能力的要求和重点考察内容，以此为基础，以产学研融合、提高学生工程实践能力为主导思想，调整“计算机控制技术”课程的知识框架结构。删除原有教学大纲中与其他课程重复的“计算机控制系统硬件结构与设计”以及“连续系统控制器设计”等内容，将课程重点调整到“数字控制器的设计”上，并增加“模糊PID控制器”、“模型预测控制器”等常用于工业系统的现代先进控制器原理和应用介绍章节，从而加强学生对企业控制器应用需求的了解。

2）改变教师角色，以成果为目标激发学生自主研究热情

弱化传统教学模式中教师的主讲地位，以小型工业控制产品的开发和模拟应用为目标，使学生成为新知识学习和项目开发中的主角。首先在学期开始前，由教师提供本课程知识结构脉络图，引导学生在项目开始前，利用假期时间进行基础知识的快速学习和相关文献资料的查阅、预习工作。开学第一节课即检查自学效果，进行工业控制系统结构、常用控制器原理等内容的笔试，并提交文献综述报告，以上内容一并计入期末考核成绩。在正式授课周期的1～2周，对自动化专业核心课程所学知识进行梳理，明确实际应用领域；通过详细介绍工程实例，使学生了解工业控制器设计的实施过程，引入复杂工业非线性系统的控制难点。要求学生组成团队，在学期结束前各解决现代工业非线性系统自动控制中的1～2个问题。授课过程中，由各小组定期进行阶段性成果汇报和技术讨论，教师则扮演“指导者”和“提问者”角色，对遇到的困难进行指导，把握项目进度。

3）开发自动控制产品，促进产学研合作

学期开始时，鼓励学生通过走访企业调研或者查阅文献资料的方式，了解企业急需的自动控制需求并提出设计构想。在学期中以满足企业的自动控制需求为目标，编程实现工业应用产品的开发，通过与企业人员交流完善产品功能或者解决教师提出的工业控制实际需求。学期末举行成品推介会，由项目组长对产品功能进行介绍和展示，邀请企业人员莅临指导，在锻炼学生自我展示能力的同时，也为产品和企业的对接提供沟通交流平台。在实践过程中实现专业知识的产品化、产学研合作与相互促进。

4）跟踪学习成果，对比分析改革效果

结合工程应用中控制器设计实践，针对本课程的重要知识点，如数字PID控制器设计与参数整定、最少拍数字控制器设计与实践等，对学生进行不定期测试，跟踪学生的学习成果。项目进度由小组成员轮流汇报，保证每位成员都能在项目中得到分析解决问题的能力和总结沟通能力的锻炼，并积累一定工程经验。

以个别沟通或调查问卷形式了解学生对课程教学改革模式的看法和意见，综合对比改革前后学生的专业知识理解程度、工业系统控制器设计和实施流程的熟悉程度、程序设计调试能力和知识获取、沟通交流能力，为下阶段进一步完善改革方案，提高教学效果奠定基础。

3 企业实践内容与成效

3．1 企业实践内容

本项改革中，企业实践自始至终都贯穿于课程的教学过程。在课程一开始，带学生到校企实习基地—厦门某热电公司参观其循环流化床锅炉系统，该锅炉系统为典型的多变量、非线性工业系统，采用简单PID控制和人工控制相结合的方式保证正常生产，但该系统存在着控制滞后、精度不足等问题。要求学生在一学期内，首先分析该系统运行特性，通过建模手段辨识系统多变量模型，随后结合计算机控制技术课程中“工业系统数据采集与处理”、“多变量系统辨识”、“数字PID控制器设计”、“最少拍控制器设计”等知识点，为该系统设计一套实用高效精度良好的数字控制器，并验证其控制效果。学生完成的企业实践活动包含如下几个方面：

1）系统运行特性分析

学生在学习“自动控制原理”等基础理论知识时，大多只针对已知传递函数的单输入单输出线性系统进行分析，而大多数工业系统是多变量且非线性的，这导致学生面对实际生产问题时常无从下手。为此要求学生在2周内，通过与企业现场工程师交流，充分了解系统运行原理和基本特性，选择最重要的若干输入变量和输出变量进行后续模型辨识和控制，以此提高学生分析实际工业系统的能力以及与工程师的沟通交流能力。最终在教师和工程师的确认下，选定如表1所示的4个输入和3个输出变量。

表1 循环流化床锅炉输入输出变量表

2）系统模型辨识

“计算机控制机技术”课程中着重要求掌握的数字控制器包括“最少拍控制器”和“数字PID控制器”，在设计过程均需已知系统传递函数。

在学生开展设计的过程中，要求学生分成3组；在4周内，先学习本课程的“最小二乘”辨识算法，编写Matlab程序实现循环流化床锅炉的多变量模型辨识，并与实际模型特性从符合度和输出误差比对两个方面检验和分析模型质量，利用企业历史数据库作为辨识数据。辨识前，结合本课程的“工业系统数据处理”知识，对历史数据进行校对和扰动滤波、非正常数据的剔除工作。通过与企业工程师交流，各组学生均能辨识出4*3＝12个模型的阶跃响应趋势是否符合实际系统的理论分析结果；其中，最好的一组12个模型的匹配率都在75%以上，以该组模型为基础进行控制器设计。

3）多种控制器设计

数字控制器的设计，主要包括连续化和数字化设计方法，其中，数字PID控制器和最少拍控制器的设计是“计算机控制机技术”课程中的重要内容。要求学生先用1周时间，在教师的指导下快速学习上述知识点；再用4周时间，分组分工合作，基于循环流化床锅炉的辨识模型，分别设计数字PID、最少拍有纹波以及最少拍无纹波控制器，编写Matlab代码实现，并比较仿真控制效果。通过此训练，学生可以对控制器的两种设计方法和步骤有了更清晰深刻的认识，同时，提高编程能力，锻炼处理工业系统控制实际问题的能力，如PID参数工程整定、控制器抗干扰处理、控制器输出限位处理等。

4）成果展示

进企业进行控制器的局部短暂投运，各组分别投运各自设计的控制器，对比不同控制器作用下，三个主要输出：炉膛温度、炉膛压力和出口氧气含量的控制效果。为保证不影响企业的正常生产，各组的投运时间均选在上午10：00～11：00以及下午4：00～5：00时间段内，因为在上述两个时间段内，锅炉的运行状态最为平稳，扰动较小，各主要被控量都处于可控范围之内。同时设置控制器切换机制，当控制效果出现较大偏差时，立刻切回原有的人工控制模式，确保安全生产。局部控制器投运效果显示，数字PID控制器、最少拍有纹波控制器和最少拍无纹波控制器均达到了较好的控制效果，三个输出量均能够控制在相应设定区间内。邀请企业工程师、技术人员和操作工参与这场成果展示会，各组学生介绍控制器设计过程，展示控制效果，回答企业人员的提问，最后，分析不同控制器的优缺点，提出下一步改进设想。

3．2 改革成效评价

结束企业的控制器设计实践活动之后，进行问卷调查和课程考试。针对本文第一节提出的传统教学方法弊端，对改革前后学生对“计算机控制技术”课程核心知识点的掌握情况和综合能力进行比较，得到以下几点课程改革成效：

1）建立清晰直观的控制系统概念

通过对实际工业系统的参观，深入了解系统的运行机理，通过分析实际系统运行特性，使学生进一步巩固了控制系统中设定值、输入变量、输出变量和扰动变量概念，不再出现混淆设定值与输入量的情况；熟悉工程上闭环控制回路的实现方式，对“计算机控制技术”课程中“控制系统软硬件构成”、“工业系统数据传输”等知识点有了更加清晰直观的认识。

2）培养解决工程问题的实践能力

教改实施中，要求学生完成的系统辨识和控制器设计针对的是实际非线性工业系统，学生在解决实际工程问题中遇到了许多课本中未提到的困难，包括工业设备故障的排查、数据传输信号中断、不可测扰动对辨识和控制效果的影响、仿真环境下与实际现场中的系统控制效果偏差等，学生在不断地发现问题、分析问题和解决问题过程中极大地培养了解决工程问题的实践能力，积累了一定工程经验，为未来工作奠定了较好的基础。

3）提高专业知识的分析归纳能力

由于教学过程中弱化了教师的主讲作用，而突出由学生以开发适合循环流化床锅炉系统的辨识和控制应用软件为目标进行的自主学习，使学生不再热衷于背诵和套用公式，而是主动提炼所需知识点，并通过查找课外参考文献，解决实际工程问题。从课程考试的结果看，学生在“系统辨识”、“数字PID控制器设计”、“最少拍控制器设计”这几章节知识点的得分率，比未进行教改的班级提高了35%以上。

4）提高自我展示和沟通交流能力

学生在本次以实践为导向的教学改革中，获得了在传统教学模式下无法获得的大量与企业工程人员沟通交流的机会。前期与工程人员交流循环流化床系统的运行原理和现有控制情况，中期与技术人员交流验证辨识模型准确性和控制方案可行性，到后期成果展示时向技术人员介绍控制算法改进思路和控制效果，学生的口头表达能力、PPT制作和展示能力、现场提问和总结能力都得到了显著提升。最直观的改变是在毕业班用人单位面试中，经历教改的同学能够以足够的自信，流利地向面试官介绍本次企业实践经历，获得用人单位的一致好评。

4 结语

本文针对自动化系核心课程“计算机控制技术”，探索了以工程实践为导向的新型教学方法。该方法以满足企业的生产线自动控制需求为最终目标，重点引导学生将所学知识转化为企业实用控制产品，在项目实施过程中巩固自动化专业知识，融会贯通，积累工程经验。让学生在课程开始之初进实习基地参观工业循环流化床系统，带着提高被控对象控制品质的应用目标，学习课程重要知识点，激发学生的求知兴趣，促使其课后进行自主探索学习，培养独立研究能力；其次通过对被控对象的运行特性分析，以及基于实际工业数据的系统辨识和控制器设计，在不断发现问题和解决问题中提升工程实践能力，提高技术应用的熟练度，提高小组成员团结协作能力；最后通过定期进度汇报交流和项目成果展示会，锻炼学生的沟通交流、总结分析能力，也为成果与企业对接提供机会。综上所述，本文介绍的对传统“计算机控制技术”课程教学模式所做的改革，

不仅能够多方面提高学生综合素质，促进产学研合作实践，也为其他专业核心课程提供一条全新的改革探索模式。