“计算机控制技术”课程定位与知识梳理

王 超，孙宏军，丁红兵

(天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

0 引言

“计算机控制技术”是自动化类专业的核心课程之一，涉及的知识面广，知识集成度高，在专业课程体系中起着承上启下的作用。课程的教学效果的优劣对学生综合应用能力和解决实际问题能力会产生直接影响。

伴随新一轮科技革命和产业变革，工程教育的改革如火如荼，如麻省理工学院(MIT)的NEET计划[1]。2018年9月，我国教育部、工业和信息化部及中国工程院联合发布了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》，提出了一系列的改革任务和重点举措。在这一背景下，“计算机控制技术”的课程目标和知识体系也需重新进行梳理和定位。

1 课程的定位

几乎所有高校的自动化专业都开设“计算机控制技术”或“计算机控制系统”类的课程，但侧重各有不同，而与此对应的教材也是种类繁多，各有千秋。高等教育出版社、科学出版社、机械工业出版社、清华大学出版社和化学工业出版社出版的该类教材超过50本。根据教学角度的不同，计算机控制技术类教材主要分为三类，①以离散系统设计理论为重点；②以单片机和接口技术为重点；③两者兼顾。各类型教材既有各自的特点，也存在不同的问题[2-5]。

“计算机控制技术”在自动化专业课程体系中起着承上启下的作用，在培养方案规划时，理顺好该课程与其它相关课程的关系非常重要。这里主要涉及两方面的关系。一方面是“计算机控制技术”与“自动控制理论”和“信号与系统”的关系；另一方面是“计算机控制技术”与相关技术类课程，如：“单片机”“可编程逻辑控制器”“数字信号处理器”和“工业控制网络”等的关系。上述关系问题的妥善解决，是制定培养方案的关键，也是难点。

自动控制的发展一直伴随着人类社会的科技革命和产业变革。在第一次工业革命的“蒸汽时代”有了基于机械原理的控制装置；在第二次工业革命的“电气时代”，模拟控制理论使控制性能得到提升；而在第三次工业革命的“信息时代”，计算机控制系统的出现，自动化技术发生了根本的转变，由处理连续时间变量转变为处理离散时间变量，由处理模拟量转变为处理数字量[6]。可以说计算机控制技术从其诞生，就是以实现系统自动控制为指向，以构建实际控制系统为目标的。因此，将“计算机控制技术”定位在构建计算机控制系统的共性技术。以此为依据，也可以更有针对性地解决上述的两个关系问题。

2 知识分类和逻辑的梳理

知识内容逻辑越合理，分类越清楚，学生越易于理解和掌握，才能进而提高学生应用知识和创新的能力。

2.1 清晰的知识分类

“计算机控制技术”涉及的知识面广，清晰的分类有利于学生构建自身的知识体系，并能在今后不断更新和完善，提高学生的持续学习能力。

从课程全局角度，理清计算机控制技术的应用分类非常重要。计算机控制中的计算机不是狭义的PC机，一般泛指数字化控制装置，主要包括单片机、数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)、工业控制计算机IPC(Industrial Personal Computer/简称“工控机”)和可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller)等。早期的计算机价格比较昂贵、体积也比较庞大，因此，用于控制领域时，一般采用“集中控制”方式，即用一台计算机同时控制多台机器或设备，检测装置轮流采集机器或设备的相关信息，传送给计算机，计算机按事先确定好的方式和算法计算出所需要的控制量，并轮流输出给每台机器或设备。后来，由于计算机价格的不断下降，体积也不断缩小，因此，出现了一台计算机只完成相对单一的控制任务的方式，这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调等通常用一个单片机就能完成控制任务。可将这类型计算机控制技术归为“计算机控制的单元技术”，重点在于设计控制器或模块，主要针对小型控制系统[7]。而大、中型控制系统，往往利用总线技术、通信技术和网络技术，利用商业化的设备和软件进行集成设计，较具有代表性的有主要用于机械制造业的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、用于石油、化工、钢铁等生产过程的集散控制系统DCS(Distributed Control System)和计算机集成过程系统CIPS(Computer Integrated Process System)，以及将控制彻底分散化的现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)等。将这类型计算机控制技术归为“计算机控制的集成技术”[7]。在课程的讲授过程中，应给学生明确哪些内容属于计算机控制的单元技术，哪些内容属于计算机控制的集成技术，哪些内容两者均有应用，使学生学习各项技术时，都能够清晰地把握其应用的目标，避免在庞杂的知识面前产生混淆，限制解决复杂工程问题能力的提升。

另外，对于各章节知识的分类也需更加清晰。以总线技术为例，在不同教材的总线技术部分，总线的分类是有差别的，通过比较分析，采纳了按照内部总线、系统总线和外部总线三类进行界定的方案。内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；系统总线是计算机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是计算机和外部设备之间的总线，用于设备一级的互连。通过这样的清晰的界定，学生面对一些新的总线标准时，也可方便的对其进行归类，不断丰富自身的知识体系。

2.2 理顺知识的逻辑关系

理顺知识的逻辑关系，一方面便于学生理解知识要点，另一方面还可使学生在课程的学习过程中不断地应用前面学习的知识，提升掌握程度。

以过程通道部分为例进行说明。过程通道是计算机控制技术中非常重要的部分，在多年的教学过程中，发现按照从简单到复杂的顺序和过程通道结构构成的思路对该部分的知识点进行构架，会使学生更加易于掌握，并建立良好的知识结构，如图1所示。

图1 过程通道部分的逻辑关系

按照接口技术、数字量输入通道、数字量输出通道、模拟量输出通道和模拟量输入通道顺序安排教学内容。接口技术是基础，重点介绍地址译码、锁存器和缓冲器，安排在第1节。以此为基础，在每类过程通道的教学中，都首先介绍该类过程通道的结构，然后按照过程通道结构构成的思路进行讲授。以数字量输入通道部分为例进行说明。首先介绍数字量输入通道的结构，根据结构，可应用第1节中缓冲器和地址译码的知识实现输入缓冲器和地址译码电路的设计，而图1中标“★”的“输入调理电路”则是增量知识，从而引导学生形成数字量输入通道的完整知识结构。另外，由于A/D转换原理一般都会使用D/A转换器，因此，按照先模拟量输出通道，再模拟量输入通道的顺序进行教学。采用这种知识构成的方式进行教学，可更好地引导学生掌握应用知识解决设计问题的方法和思路。

2.3 首章和尾章的设计

设计好首章和尾章，也即开好头，结好尾。“绪论”要吸引学生的兴趣，把学生引进门；尾章为“计算机控制系统的设计及实例”，要指导学生架构起整体计算机控制系统的设计理念。首章和尾章的内容设计如图2所示。

图2 首章和尾章的内容设计

在绪论部分，在讲授计算机控制系统的工作原理、组成和发展概况外，增加了“工业革命和自动化控制”。在该节中，以工业革命和自动化控制的发展为脉络，讲述计算机控制技术在工业和科技发展中的重要地位。

计算机控制系统的结构类型(数据采集系统、操作指导系统、直接数字控制、监督控制系统、集散控制系统和现场总线控制系统等)一般都在绪论部分进行讲授，多数计算机控制类教材也这样安排。但是，学生们在绪论的学习阶段，还没有系统地理解计算机控制技术，往往只是机械记忆这些结构类型，对提高他们的设计能力帮助非常有限。因此，将“计算机控制系统结构类型”调整到了最后一章(计算机控制系统的设计及实例)，更有利于指导学生根据需求选择适合的结构类型进行计算机控制系统的设计，这也和计算机控制技术的教学定位相匹配。

在计算机控制系统的设计与实例部分中，按照计算机控制的单元技术和集成技术分别给出实例。为了培养学生根据工艺和任务设计计算机控制系统的能力，采用开放式任务的形式给出实例。以计算机控制的单元技术设计任务为例进行说明。该任务以设计一个温度控制器为目标，在任务描述中，针对不同层次的学生，给出了基本要求和提高要求。为了引导学生学会应用知识解决问题，给出了各个设计任务与课程章节知识的对应关系。针对设计任务，给出了实现的技术路线示例，但鼓励学生根据要求设计出自己的控制系统。

3 课程内容的更新与取舍

将“计算机控制技术”课程定位于构建计算机控制系统的共性技术。以此为出发点，对课程内容的更新与取舍就有了依据。

3.1 课程内容的更新

从20世纪70年代开始，随着微型计算机的普及和计算机网络的发展，针对小型计算机控制系统的单元技术，和针对大中型计算机控制系统的集成技术都得到长足的发展。随着以工业4.0、人工智能和工业互联网等为标志的新一轮科技革命和产业变革已经开始，很多新的技术被应用于计算机控制系统，因此，计算机控制技术课程也应紧跟技术的发展，淘汰不再使用的旧技术，并增加新的技术内容。

现代工业生产规模不断扩大，自动化水平不断提高，大量的智能单元应用于工业现场，因此，计算机与智能单元之间，计算机与计算机之间的数据共享和信息交换，都必须通过数据通信来解决，除过程通道与现场沟通外，数据通信也成为与现场沟通的重要信息通道。而随着以互联网为基础的新一代信息技术的兴起以及向工业领域的融合渗透，多个国家纷纷提出了以智能制造为核心的再工业化战略，以工业互联网推动信息技术与制造技术深度融合，促进工业数字化、互联化、智能化发展。因此，计算机控制技术中的通信技术和网络技术的重要性越来越高。

在通信技术和网络技术方面，很多教材远远落后于技术的发展，如有些教材的现场总线标准甚至还停留在2003年IEC61158 第3版的阶段。10多年过去了，加入多种实时以太网解决方案，包括20个类型的IEC61158标准的第4版在2007年已经发布。而伴随着物联网和工业互联网的发展，低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)如NB-IoT和LoRa等会成为计算机控制系统中的一种重要的网络技术。通过在课程中增加该方面的内容，能让学生了解最新的技术，并理解这些技术在国家重大战略的中的地位。

除增加通信技术和网络技术的内容比重外，一些现有教材少有涉及的一些新的技术也增加到了课程中，如在A/D转换原理中，增加了近年来在仪器中广泛采用，可达到16～24位转换精度的Σ-Δ型A/D转换原理的讲授。

总之，计算机控制技术的课程应该紧跟信息与通信技术的发展，以构建计算机控制系统为目标，用新的技术赋能学生。

3.2 课程内容的取舍

根据构建计算机控制系统的共性技术的课程定位，本课程不再以连续化设计方法和离散化设计方法以及其稳定性的分析目标组织教学内容，将属于“自动化控制理论”的离散控制系统设计和分析回归到“自动化控制理论”。

控制策略部分的内容聚焦于控制策略的具体实现。在这一部分中，首先，讲授应用最为广泛的数字PID控制器的实现、改进和参数整定；其次，针对实际计算机控制系统中，有些被控对象特性比较复杂，或控制要求比较特别的情况，讲授基于数字PID的多回路复杂控制系统，从而使学生构成相对完整的数字PID控制知识体系。对于先进控制策略，则选择了在实际控制系统中应用最广泛的先进控制策略——模型算法控制进行重点介绍，在介绍其原理、实现和参数整定的基础上，还为感兴趣的同学介绍了Matlab中MPC工具箱对预测控制的仿真方法。对于其他先进控制策略，则立足于控制策略思路的简介。在控制策略的最后部分，从编制控制策略程序模块的角度安排了“控制策略的工程实现”的教学内容。

同时，通过强调计算机控制技术课程的“共性技术”特征，“计算机控制技术”与“单片机”“可编程逻辑控制器”“数字信号处理器”和“工业控制网络”等课程的关系问题也就迎刃而解了。“单片机”“可编程逻辑控制器”“数字信号处理器”和“工业控制网络”等专注于各自的“专有技术”，由于“共性技术”已集中于“计算机控制技术”，在这类课程中就没有必要重复讲授了。这样也避免了不同课程内容重叠。学生在学习计算机控制共性技术的基础上，再选修1～2门的属于专有技术的课程，知识结构将更加合理。

4 结语

本文是作者在15余年讲授“计算机控制技术”的过程中，通过不断的梳理总结，逐渐将“计算机控制技术”聚焦于构建计算机控制系统的共性技术，以此为基础构建“计算机控制技术”的内容体系，一方面与离散控制系统设计相区别，另外一方面又可与如“单片机”“嵌入式系统”“数字信号处理器”“可编程控制器”和“工业控制网络”等课程很好地形成互补关系，进而构成课程组，在有限的学时中，共性技术和专有技术相结合，更有效地培养学生应用知识和解决复杂工程问题的能力。

虽然通过多年的教学实践取得了较好的效果，但由于本人视野和水平有限，难免存在偏颇和错误之处，仅以此文抛砖引玉，共同探讨。