基于工程教育认证的《计算机控制系统》课程改革与实践

汪德彪 胡文金 杨波 刘显荣 姚立忠

摘要：工程教育认证在我国工科专业中受到越来越多的重视，《计算机控制系统》课程作为自动化专业的核心课程之一，在工程教育认证中发挥着重要作用，其教学内容必须满足工程教育认证的要求。本文针对《计算机控制系统》教学内容不适应工程教育认证的问题，通过强化、补充、融合相关内容使其满足工程认证需要。通过教学实践取得了良好教学效果，并在教学资源建设、教学手段和方法，以及实验教学等方面取得进展。

关键词：计算机控制系统；工程教育认证；课程改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0263-04

一、引言

工程教育认证具有“国际实质等效性”，如果一个专业通过工程教育认证就意味着其培养的学生具有国际上广泛认同的质量标准[1]。我国早在20世纪90年代初就开始探索专业的工程教育认证工作，2006年成立工程教育认证专家委员会，之后逐渐得到发展和完善，于2012年成立工程教育认证协会，并于2013年加入华盛顿协议，从此我国的工程教育认证得到国际认可[2]。国内许多高校也十分重视并积极参与专业的工程教育认证工作，我校自动化专业于2016年通过了工程教育认证，通过此项工作极大地促进了专业改革和课程建设，自动化专业人才培养质量稳步提高。《计算机控制系统》作为自动化专业的一门核心课程，具有综合性、实践性、工程性等特点，对自动化专业的总体能力形成和工程实践能力培养具有不可替代的作用[3-7]。工程教育认证为《计算机控制系统》课程教学内容改革提供了广阔的平台，在充分论证基础上，以满足自动化专业总体要求为依托，以工程教育认证为引领，我们对自动化专业的《计算机控制系统》课程进行了大幅度改革，通过3年来的教学实践，取得了良好的教学效果。

二、课程教学内容的问题分析

目前《计算机控制系统》课程的教学内容可以归纳为以下6个方面：一是计算机控制的基本概念，主要包含计算机控制系统的组成结构、典型的控制系统、控制系统的性能指标、控制系统的实时性等内容。二是计算机控制硬件系统，主要包含接口技术与过程通道技术、含有少许工业控制计算机的基本内容、硬件抗干扰技术等。三是过程量的采集与数字滤波、工程量转换、线性化处理等。四是控制算法，主要是数字PID算法及其参数整定、数字控制器离散化设计技术、复杂控制技术等。五是控制网络与集散控制系统基本知识。六是计算机控制系统设计与案例分析。通道和算法是两个核心内容。从表面上看教学内容是丰富的，但在教学实践中往往存在不少问题，有的问题因校而异，有的问题因人而不同，主要体现在以下几方面。

第一，工程性不强。在教学中往往理论分析多，将理论如何应用于工程实际薄弱。比如PID算法的工程实现问题，工程化处理的缘由是什么、工程化处理内容是什么、工程化处理过程如何实现等没有得到充分体现。又比如过程通道技术教学内容陈旧，理论分析过多，没有与当前技术应用潮流接轨，教学与工程应用是脱节的。

第二，缺少非技术性教学内容。该课程的教学内容几乎完全是关于计算机控制的技术性内容，相关非技术性教学内容很少，但是一个成功的计算机控制系统应用涉及很多非技术因素，为了提高自动化专业学生工程实践能力，这些内容是不可或缺的。比如技术经济分析、工程与环境、工程伦理等。

第三，缺少计算机控制相关的规范性教学内容。从培养人的角度出发，不仅要教会学生做事，还应该教会学生在做事过程中遵从规范和标准，使学生具备按照相关规范高质量地完成计算机控制系统相关工作的意识。比如工程设计的技术规范、设计资料的管理规范等。目前的教学内容中缺少这些，在计算机控制的相关实践教学中，大量存在设计图纸、文档不规范、遵从的技术标准不明确等问题。

三、应对措施

（一）突出复杂工程问题教学内容

分析解决复杂工程问题是专业综合能力的重要体现。对于自动化专业而言，什么是复杂工程问题，在计算机控制系统课程中又如何得以落實？本课题组在多年的科技服务实践和教学中得到了一些基本经验，该课程主要在以下几个方面体现复杂工程问题。

1.PID算法的工程化及其编程处理。众所周知，PID控制算法在绝大多数情况下都是非常实用的控制算法，但理想的PID算法难以适应各种复杂的控制对象和控制要求，必须对其进行必要的工程化处理才具有工程适用性。在传统的教学中，这一部分内容非常薄弱，学生很难理解PID算法在工程中究竟是如何作用于控制对象的。PID算法看似一个简单的算式，但针对工程应用就成为一个复杂问题，如何处理给定值、测量值、偏差、控制量、手/自动切换、控制补偿等问题，在满足工程控制中需要具体问题具体分析。

为了阐述PID算法工程化的复杂性和编程实现，在此仅以控制量处理为例来说明。理想PID的算法式非常简单，位置式PID算法表达是如式（1）所示，用编程语言非常容易实现，只需要比例、积分、微分系数和当前时刻及前两个时刻的偏差就可以计算出来。

U■=U■+q■E■+q■E■ （1）

然而，工程中并不是这样运用的，计算得到的控制量Uk需要进行必要的工程化处理才能适应各种场合的控制需求，控制量工程化处理如图1所示[6]。

在工程中，根据具体情况需要对控制量进行补偿处理，补偿有增加控制量、减小控制量、补偿取代和不补偿4种模式（各模式在工程中的意义和作用是不同的），由OCM决定；通过对OCV赋值来决定补偿量大小。经过补偿后的控制量再经过变化率限制，MR是限制控制量变化速度的控制量，是为了避免猛烈升降的冲击影响，使生产过程操作平稳，减小对执行机构的冲击。输出保持通过软开关FH/NH控制，实现当前时刻控制量Uc和前一时刻控制量Uk-1的选择，在工程上的意义在于当控制对象出现某种状态时，需要维持以前的控制量，切断新的控制输出，以保障系统的平稳运行。安全输出是实现控制系统的安全运行所必需的，当控制系统出现某种故障时，软开关FS/NS切向NS位置，控制输出置于安全输出量MS，切除正常的控制量，当故障排除后将软开关FS/NS切向FS位置，恢复正常运行。这些工程化措施在工程中是非常重要的，但这些内容在教学中被轻视了，甚至被忽略了。

在PID控制算法工程化过程中需要许多变量，这些变量有浮点型的、整型的和布尔型的，这些类型变量在编程实现时如何围绕PID工程化实现也是一个关键问题。以C语言编程实现为例，为了管理这些变量，定义一个结构体，用结构型变量进行管理，操作修改都十分方便，从而使算法表达式到程序之间实现了无缝连接，实际上自动化专业软件WinCC就是这样管理结构型变量的。为了进一步结合工程实际，将当今主流自动化系统中的PID算法（比如SIEMENS的PLC产品中的PID算法）纳入课堂教学，从而将PID算法从理想到工程再到应用，贯穿PID技术的主线。这个过程是一个典型的复杂问题处理过程，也是十足的工程实际问题。

2.过程通道的工程化处理。在传统的教学中，计算机控制的过程通道的内容是最为困惑的，在很大程度上是微机接口技术的简单扩充，以接口芯片与微机总线接口作为重点，接口编程编程语言还是以汇编语言实现，这显然与工程实际相距甚远，根本达不到工程应用的目的。事实上，将过程通道技术从原理到工程应用也是一个复杂的工程问题，接口技术已经在自动化专业的前修课程《微机原理及应用》中得以解决，在计算机控制系统课程应上升到总线一级去分析与应用。在基于ISA总线的过程板卡分析的基础上过渡到基于PCI总线的过程板卡的分析与应用，进一步上升到基于PCIe和PXI等当今流行的总线板卡。另一方面，加强以网络为基础的分布式过程通道的应用教学。在过程通道应用编程上主要以ActiveX控件、Labview、组态软件等为平台，与工程实际应用实现无缝连接。在过程通道教学内容中，充分融合信号调理技术、硬件抗干扰技术、硬件可靠性和安全技术等工程实际内容，从而在硬件上形成完整的技术链条。

3.工程量转换与标准数问题。实际应用中的过程参数千差万别，同一个系统中的大信号与小信号可能相差甚大，这个问题在计算机控制实践中不处理会有什么不良后果，处理的方法是什么？理解这些问题对于初学者来说是具有挑战性的，也是一个典型的复杂工程问题。

过程参数经过传感器及其变换电路转换成标准的电压或电流信号，在经过A/D转换成为数字信号后与实际的物理参数的关系怎样，这就是工程量的标度转换问题。如果这种对应关系是线性的则完全可以通过公式进行折算，但对于非线性严重且不能公式化处理又该如何进行，是采取实验模型、智能算法还是其他方法，对这个问题的透彻分析能为提高学生的工程实践能力提供助力。

在控制系统中，可能存在一个信号大到成千上万，而另一个信号则是百分级或者更小，两者相差5—6个数量级以上，如果将两个信号比较可能将小信号给忽略了，从而出错，对于这个问题的复杂性要具体问题具体分析，通用的做法是将全部信号折算成标准数，即将所有工程量折算成0—1或0—100之间的无量纲标准数，消除大小信号之间的差异，避免在运算过程中出现粗大的取舍误差。而作为控制量输出也通常是0—100之间的数，代表执行阀门的开度，但在具体输出的数据显然不能是0—100之间的数，而是要根据执行器接收操纵信号的范围和灵敏度大小，D/A转换器的分辨率等改变实际输出的数值。对这些问题的透彻分析能使学生明白很多工程问题。

（二）补强工业计算机内容

计算机控制系统中的计算机称为工业控制计算机（IPC），是计算机控制系统的硬件基础。传统计算机控制系统课程在这部分相对薄弱，仅仅对IPC的组成结构及其特点进行了简单介绍，不足以支撑工程应用。在传统教学中往往注重总线型工业计算机（IPC），这非常好理解，因为IPC很好兼容了普通商用计算机的软硬件资源。PLC、嵌入式系统、智能调节器、DCS/FCS作为常用的工业控制装置没有很好融合到课程的教学中，当然这些内容可能会有独立的课程来解决，但问题的关键是如何将其有机地连接到一个完整的计算机控制系统是计算机控制系统课程的任务所在。为此，在内容上以通信网络为纽带构建工业控制网络，从基础的IPC+远程I/O模块，到IPC+PLC或IPC+RTU模式，再到以DCS/FCS为核心构建大型计算机控制系统，形成梯度递进的教学内容，这种教学内容的补充与增强符合当今计算机控制潮流，因为在现实中几乎不存在单机计算机控制系统，都是以网络通信为核心的大型计算机控制系统，即使相对独立的小型计算机控制也是大型系统的一部分。

（三）补充非技术性教学内容

一个工程的成功应用不仅仅是技术问题，也就是说要实现一个计算机控制系统，仅从技术上去思考问题是完全不够的，有很多非技术因素影响着它的应用，主要有以下几个方面。

1.计算机控制与经济效益。计算机控制取代传统控制，减少了人力成本和资源消耗，提高了生产效率，同时也能使产品的质量得到稳定和提高。经济效益该如何计算、计算机控制系统的建设投入与提质增效的效益平衡等，这些因素在一个实际的计算机控制系统中去具体分析，要教会学生如何去分析这些问题，很显然，这些问题并没有唯一正确答案，而是各种因素相互制约的结果。在教学中补充少许技术經济内容，强化学生的技术经济意识。

2.计算机控制与环境问题。如果实现一个计算机控制系统仅仅从经济效益去分析显然是偏颇的，作为一个从事自动化的工程技术人员，必须清楚自己所实施的控制系统所承担的社会与法律责任，必须符合工程伦理的要求。如果一个计算机控制系统不具有环境友好性，不符合社会行为规范，无论它有多么好的控制性能都不是一个成功的计算机控制系统。因此，在教学中必须强调工程师的社会伦理和社会责任意识。

3.非技术性教学内容的处理实践。我们在教学过程中处理非技术性内容主要在两个方面，一是计算机控制系统的性能分析上，传统的做法是，分析计算机控制系统的性能主要从快速性、准确性、稳定性和实时性去进行，这些都是非常重要的技术指标，如果再进一步则是分析它的通用性、环境适应性和开放性等。为了更加充分体现工程性，紧密结合工程认证要求，将经济效益、环境意识补充到计算机控制系统的综合性能中，通过案例分析使其更加丰富和具体。二是在计算机控制系统设计与案例分析部分，除了传统的设计原则与方法、设计步骤与过程之外，补充经济预算、环境保护、设计规范、工程项目管理等内容，通过工程案例具体分析。

（四）计算机控制系统的技术规范

工科专业是以解决各种工程技术应用中技术和非技术问题为目标的，要做好工作就不能随心所欲，必须遵守相关的规范，所谓“行有行规，不从规矩就不成方圆”，作为从事自动化工程的专业人员也需要遵从相应的规范。传统的教学中，规范教育是非常薄弱的，甚至在一门技术课程的教学中没有关于行业规范的教学内容，学生根本就不知道有规范来约束他的技术活动。技术标准是技术活动的“法律”，是质量保证的基础，是市场竞争的“游戏规则”。设计、安装和管理一个计算机控制系统也有相关的技术标准，实施一个计算机控制系统项目就会涉及项目管理标准、自动化工程设计标准、电气图纸与符号标准、设备设施安装标准、安全标准、工程验收标准、技术文档归档管理标准等。这些标准在课程教学实践中是不可能完全细致地讲解的，也没有必要进行罗列，只要让学生懂得在计算机控制领域主要有什么行业标准、国家标准和国际标准，这些标准规范了从事计算机控制领域的哪些具体活动，使学生建立初步的规范意识。在我们的教学实践中用3—4学时就可完成该教学内容，初步建立起学生自动化系统的规范意识。

四、自制实验装置

为了将该课程教学改革推向深入，做到贴近工程实际，本课题组自制了专门的实验教学设备，开发了实验实训项目。该实验装置具有通用的一阶、二阶系统以及温度对象，过程信号有0—10V和4—20mA两种形式，开关量输出以固态继电器形式输出，与工程应用标准一致。该实验装置能与研华PCI1711U板卡和ADAM4000系列模块连接。实验实训项目开发的软件平台有C++Builder、Labview和WinCC组态软件几种选择，与工程应用紧密关联，实践表明该实验装置在教学中对学生的工程实践能力培养具有显著的作用。

五、结语

工程教育认证是一个逐渐完善和不断提高的过程，是一个持续改进的过程。我校自动化专业在人才培养的实践中不断完善人才培养方案，《计算机控制系统》作为该专业的核心课程之一，其课程内容也在不断调整与完善之中，自动化专业的《计算机控制系统》课程整合了《计算机控制技术基础》和《工业计算机系统》两门课程，课程名称改为《工业计算机控制系统》，强化了《计算机控制技术基础》的核心内容，补充了《工业计算机系统》的关键内容，融合了控制软件技术、计算机控制系统规范、工程与环境等内容。三年多来，我校自动化专业在课程教学资源建设、教学方法和手段、实验教学内容等方面的配套改革的保证基础上，取得良好效果。

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