专业硕士计算机控制教学案例库建设

2024-12-03韩耀振王常顺侯明冬唐相猛

高教学刊 2024年34期

摘要：计算机控制课程是机械专业硕士机器人工程领域方向研究生的专业综合课。为提高学生计算机控制系统综合设计能力及创新水平，开展计算机控制课程案例库建设。在分析计算机控制课程本科硕士生教学现状基础上，提出知识点案例和综合案例两个层面构建案例库的方法，共设计12个教学案例，其中6个知识点案例由一个国家级项目分解衍生，涵盖系统结构、控制器、控制算法、I/0通道、人机接口和网络通信等计算机控制系统的全部内容；6个综合案例分别由企业产品开发或纵向科研课题提炼产生。该案例库建设以学生为中心，融合思政元素、信息化手段等，提高相关专业硕士解决复杂综合问题的能力及创新能力，为专业硕士课程案例库建设提供一种参考途径。

关键词：机械专业硕士；计算机控制；知识点案例库；综合案例库；机器人工程领域

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）34-0084-05

Abstract： Computer Control is a professional comprehensive course for graduate students in the field of robot engineering. In order to improve students' comprehensive design ability and innovation level of computer control system， the construction of computer control course case base is carried out. Based on the analysis of the current teaching situation of undergraduate and master students in computer control course， this paper proposes the method of constructing case base from two levels of knowledge point cases and comprehensive cases. A total of 12 teaching cases were designed. The six knowledge point cases are derived from the decomposition of a national project， covering all the contents of computer control systems such as system structure， controller， control algorithm， I/O channel， man-machine interface and network communication. Six comprehensive cases were extracted from enterprise product development or longitudinal scientific research topics. The construction of this case base is student-centered， integrating ideological and political elements， information technology methods， etc.， which improves the ability of master students in related majors to solve complex comprehensive problems and innovate， and provides a reference for the construction of professional degree postgraduate courses case base.

Keywords： mechanical engineering professional degree postgraduate; Computer Control; knowledge point case base; comprehensive case base; robotics engineering field

专业学位硕士是具有扎实理论基础，并适应特定行业或职业实际工作需要的应用型高层次专门人才[1]。机械专业硕士分为机械工程、机器人工程、船舶工程等10多个专业领域。计算机控制是机器人工程领域的一门专业选修课，着眼于培养学生基于前沿的软硬件技术和先进控制算法解决复杂工程问题，这是一门涵盖最新科学技术的综合性课程[2]。

自动化专业、电气工程及其自动化专业、机器人工程专业等相关本科专业中，也可能包含计算机控制类课程，在教学中要注意本科与专业硕士的异同之处。目前本科生的计算机控制教学中，普遍分为系统组成、系统过程通道、抗干扰措施、经典控制理论和工业控制网络等几部分，在实际教学中内容偏陈旧，知识点比较割裂，不适合于培养高层次应用型人才需求[3-4]，在专业硕士的计算机控制课程教学中，要更多地体现前沿、综合、先进，使学生能通过掌握前沿技术理论解决复杂工程问题。

一课程研究现状

案例教学法在专业学位硕士培养中发挥越来越大的作用，案例库建设可以提高研究生运用基础理论知识进行应用研究能力，拓宽研究生专业视野，促进交叉学科研究，提升研究生应用创新能力。

自从教育部发布关于加强专业学位研究生案例教学的意见文件后，专业硕士课程案例库如雨后春笋般涌现[5]，各省教育厅、高校颁布了专业硕士案例库建设方案，力度之大前所未有，中国专业学位案例中心也由财政部设立专项经费支持建设，探索并积累了案例建设的有益经验。但目前中国专业学位案例中心仅涵盖工商管理、会计、公共管理、法律、教育和临床医学等专业学位类别，还未涵盖机械、电子信息等广大工程类专硕。在具体实践中，一些学者已经开展了机械等8种专业学位类别专业领域课程案例库建设。李敏等[6]研究控制工程领域矩阵理论案例库建设，将案例分为三个等级开展。陈修龙等[7]针对机器人工程领域方向开展机器人技术案例库的建设研究。赵珊等[8]针对电子信息专业硕士机器学习教学案例库开展建设。针对计算机控制课程的教改研究有不少[9]，但关于计算机控制课程案例库建设的不多[10]，而且是面向本科生教学，这使得机器人工程专业硕士领域的计算机控制课程案例库建设意义重大。

目前计算机控制教学中还存在的问题主要有：一是教学案例知识点陈旧，有的器件、结构的内容是二三十年前的；二是存在知识点和项目割裂情况，所讲解的各知识点比较分离，只见树木不见森林，学生不能形成系统观；三是计算机控制系统的应用案例因人而异，由于授课教师的变化，案例会产生不同，很多优秀典型的案例不能持续。

因此，为提高机器人工程领域专业硕士培养质量，充分发挥计算机控制课程作用，从具体知识点案例和综合案例两个层面构建案例库，充分发掘每个案例的课程思政元素，结合信息化手段，以学生为中心，开展计算机控制课程案例库建设。

二案例库体系结构和具体内容

（一）案例库体系结构

计算机控制课程是一门专业综合课，涵盖系统结构、软件、硬件、控制算法和网络通信等控制系统的全部内容，考虑课程的整体与部分统一、经典前沿结合，系统与部分兼顾原则，针对课程的控制器、人机接口、过程输入输出通道、工业网络、控制算法和系统结构六大块内容，设计6个知识点案例和6个综合案例，如图1所示。双馈风力发电控制系统结构、双馈风力发电系统控制器、双馈风电功率跟踪控制算法、双馈风电系统显示单元、风电系统AD采集和调理单元和智能新能源微网通信网络这6个知识点案例涵盖了计算机控制系统的六大组成部分，每个案例对应一部分内容，彼此相对独立，而多电机运动控制创新平台、基于OneNet有毒有害气体监测预警系统、漂浮式海上风力机桨距控制系统、光伏组件清洁机器人、磁导航AGV和消防无人机控制系统这6个案例为综合案例，每个案例涵盖课程内容的全部或大部分要点，基本包含了计算机控制系统的六大组成部分。

图1 计算机控制教学案例库体系结构

（二）案例库内容要点

12个案例的主要内容概述如下。

案例1：双馈风力发电控制系统结构。

本案例通过双馈风力发电实验平台的讲解，使学生熟悉典型计算机控制系统整体结构。双馈电机的变速运行是通过励磁变频器在电机转子绕组中施加三相低频交流电实现的。双馈式风力发电实验平台采用一台变频调速三相异步电机带动一台双馈电机运行，异步电动机和双馈电机安装在同一个底座上，使用联轴器相连接，采用光绝对式电编码器测量电机实时转速，三相异步电机的控制edb816fc0f8a44b26a24c903b48e0b53b40ca36a37402bfb39a3dd3a46dee8ab采用变频器控制转速，用以模拟风速的变化。机侧变流器采用DSP进行控制，采用TMS320F28335的DSP控制板和IPM电源板。本实验系统采用光电编码器采集发电机的转子位置和转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上，采用霍尔电压电流传感器采集直流侧和电网侧电压和电流信号，传感器量程根据系统容量进行选择安装，用户可以采用RCP进行模型控制。

案例2：双馈风力发电系统控制器。

通过双馈双向变流器中控制器的介绍学习，扩展出典型计算机控制系统中控制器类型、常用型号等，使得学生掌握计算机控制系统控制器的选型、设计方法等。双馈双向变流器中控制器使用TMS320F28335，其是32位浮点DSP，主频是150 MHz，方便电机控制、电力设备控制及工业控制等，其中FLASH、OPT ROM受口令保护，可以保护用户程序，其内部集成的PWM、QEP、SCI等资源方便系统控制，内部集成的FLASH方便固化程序，外部存储器接口方便外扩ADC，最大特点是其浮点计算能力，非常方便实现SVPWM算法。

案例3：双馈风电系统显示单元。

计算机控制系统显示单元有LCD、LED等各种型号，本案例通过双馈风电系统显示单元采用的12864C-1显示模块的讲解，一方面使得学生掌握其使用方法，另一方面使得学生清楚在计算机控制系统设计时显示部分的设计选型方法。12864C-1是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面；可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。

案例4：风电系统AD采集和调理单元。

传感器与检测模块是计算机控制系统重要组成部分，通过本案例AD采集和调理电路学习，使得学生弄清楚传感器的作用，本案例以点带面，在介绍本案例具体传感器功能及使用方法的同时，会引入常用传感器类型及使用方法。风力发电仿真平台控制系统主要由励磁变频器和双向变流器组成，二者正常工作的最基本条件是对各类模拟量精确采集。本功能单元涉及的有片内12位AD、交流互感器SPT204、霍尔传感器、温度传感器TMP37，此外，两个并联200欧姆的电阻到地，因此电压值为I×100（设定传感器流出电流值为I），然后经过RC滤波电路，目的就是滤掉高频干扰信号，后面连接运放管脚，将此信号进行放大或者跟随，然后运放输出信号经过核心板的加法电路，将电压调制DSP的ADC允许的范围。

案例5：智能新能源微网通信网络。

通信网络是大型计算机控制系统至关重要的一环，目前主要通信方式包括UART、Ethernet、USB、CAN和RS485等，F28335内部集成了UART和CAN。常见的工业通信方式大都选择RS485，因为其差分信号传输形式，不但抗干扰能力强，传输距离也远。同时还考虑波形采集的高速传输，因此Ethernet不可替代。通过本案例学习，学生掌握通信功能在计算机控制系统中的地位，熟悉常用通信方式。本平台主要的通信方式采用RS485和Ethernet，由于RS485为半双工模式，所以485芯片都有方向控制引脚，即控制接收或者发送两种状态。网口采用W5300，其内部集成了标准的TCP/IP协议，用户只需通过总线即可通信。

案例6：双馈风电功率跟踪控制算法。

控制算法是计算机控制系统的灵魂，通过本案例双馈风电功率跟踪控制算法的讲解，使得学生学懂PID算法原理及编程实现方法。调速器根据最佳叶尖速比的表格，计算出最佳转速值，发给整流器，整流器外环速度控制，达到最佳转速值，进而此时功率最大。PID是一种闭环控制算法，包括比例（P）、积分（I）、微分（D）等算子。比例P为反映系统的基本偏差，直接影响系统的响应速度，一个系统选择合适的P值非常重要，如果P值偏小，那么系统调节响应速度变慢；如果过大，那么系统稳定性下降，会出现震荡的现象。积分I为反映系统的累计偏差，可使系统消除稳态误差，提高无差度，同样此值的选择也非常重要，过大过小对系统稳定度影响都比较大。微分D为反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。

案例7：多电机运动控制创新平台。

本案例是一个典型计算机控制系统，包含了软件、硬件、算法和仿真，来源于科研创新应用平台，平台基于TMS320F28335DSP和MATLAB/SIMULINK开发，由三相电机对拖平台、电机驱动控制平台、上位机和软件包组成，电机包括1套直流有刷电机、4套交流伺服电机、1套交流异步电机和1套直流无刷电机，电机驱动控制平台软硬件全部开源。通过本案例学习，学生能够掌握计算机控制系统组成、计算机控制算法的创新应用等，本案例教学借助实验平台开展，电机驱动程序可以在MATLAB/SIMULINK编写、下载，实现高级控制算法验证。

案例8：基于OneNet有毒有害气体监测预警系统。

本案例是一个综合型项目案例，来源于企业研发产品，使得学生掌握基于云平台的计算机监控系统结构、实现方法及具体软硬件设计。本系统实现了有毒有害气体缓慢泄漏、有毒有害气体环境等复杂环境下的有毒有害气体监测功能，有效解决了复杂环境下有毒有害气体检测、报警类装置的误报、漏报问题，为新一代有毒有害气体检测、报警类产品的研制提供了有用的数据与经验。基于LoRa的无线传感器网络的气体监测系统，针对混合气体识别率低的问题，同时考虑到传统气体浓度预测方法处理非线性数据时存在预测精度低的现象，设计一种SSA-SVM的混合气体识别和气体浓度预测方法，针对传统监测系统实时性差的问题，基于OneNet云平台完成监测系统云平台设计。

案例9：漂浮式海上风力机桨距控制系统。

风力发电发展日新月异，正在从陆上转向深远海方向，本案例主要聚焦漂浮式海上风力机桨距控制系统建模、控制算法及仿真，主要包括海上风力机模型建模、FAST风机模型应用、PI/LQR/滑模桨距控制算法设计及仿真。本案例侧重控制算法和计算机控制系统研究对象的建模，通过此案例，使得学生熟悉风力发电控制系统的运行原理、风力发电控制系统的组成及作用，知道本学科专业对碳达峰碳中和战略目标的强力支撑作用，掌握一般复杂系统机理建模方法，掌握PI/LQR/滑模等控制算法的设计步骤及MATLAB程序实现，通过本案例，也会引入预测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制和强化学习控制等先进智能控制算法。

案例10：光伏组件清洁机器人。

此案例是一个包含机电装置的计算机控制系统，光伏清洁机器人包含了行走模块、清洁单元、控制模块和传感器网络等。采用同步轮式行走机构，行走机构由同步轮、同步带、驱动电机等零件组成，机器人左右两侧都配置4个同步轮。清洁单元由滚刷、滚刷电机、水泵电机、水箱和雾化喷头等零部件构成。机器人控制模块包括核心控制模块、行走驱动模块、清扫控制模块、感知模块、通信模块及电源模块等。通过此案例学习，学生掌握典型机电系统结构，会使用常用传感器，能基于CAD画出光伏组件清洁机器人三维结构，知道控制系统和机械系统协同设计步骤。

案例11：磁导航AGV。

AGV广泛应用于现代物流，此案例重点分析磁导航AGV控制系统，硬件涉及CAN总线通信模块、Wi-Fi无线模块、电机速度检测模块、磁导航传感器组、障碍检测单元和电机驱动模块等，AGV路径跟踪控制算法采用模糊PID，AGV控制系统软件包括产生PWM的程序、避障程序、电机驱动程序和CAN总线通信程序等，这个案例是一个典型的计算机控制系统，使得学生对控制系统硬件、软件、算法的认识程度进一步提高，本案例尤其是对计算机控制系统的检测单元、执行机构部分，有深入介绍，此案例一并介绍各种巡线方法、电机控制算法，使学生能进行案例对比分析。

案例12：消防无人机控制系统。

城市消防无人机以高层楼房消防探测和消防灭火为主要目标，主要完成图像和飞行姿态传输通信、平台姿态控制、摄像机控制、灭火弹发射和定位等功能，此案例针对其控制系统展开讲解，不单纯地指向无人机，系统包括无人机机载设备、地面操控终端、无线通信系统，机载设备以消防无人机为机械载体，主要包括视频摄像机、机载控制盒、无线图像传输设备、姿态测量模块、电源及其转换电路等。地面操控终端采用计算机，通过开发应用程序实现人机交互；无线通信系统基于专用通信模块实现，由图像传输和数据传输两部分模块组成，本案例是一个综合控制系统，重点学习系统各功能实现及选型方法。

三案例库案例的格式规范和考核方式设计

本课程案例库格式在中国专业学位案例中心案例收录规范基础上调整而成，案例内容主要包括：案例名称、首页注释、摘要和关键词、背景信息、案例正文、结语、案例思考题、使用说明、参考文献、附件，以及与案例相关的其他资料。摘要精炼，简要概括案例的主要内容，不做评价性分析或倡导性建议，300字左右，关键词3～5个。案例使用说明采用分条的方式呈现，内容相对精炼，其内容主要包括适用范围、配套教材、教学目的、关键要点、教学建议和推荐阅读等。

计算机控制课程综合性比较强，作为专业硕士课程既要有广度，又要有深度。本课程案例库的实施，大大提升该课程的教学质量，与此同时，课程考核也做优化调整，加大平时成绩考核比例和强度，把对案例库的理解讨论加入到课堂表现平时成绩，典型计算机控制系统设计作为期末大作业计入平时成绩，课程的期末考试采用课程设计结合答辩形式，结合所研究课题及所学案例库，设计典型计算机控制系统，从课程设计报告、答辩情况、成果展示三个维度给出成绩，使得该课程更能体现对专业硕士生的系统设计能力、创新能力、工程实践能力的考核。

四具体案例分析及成效

现以“基于OneNet有毒有害气体监测预警系统”为例，介绍计算机控制课程案例教学实施过程。

首先，介绍案例背景，有毒有害气体监控在工商业领域至关重要，投放近几年发生几起可燃气体有毒气体爆炸事故，给人民生产生活造成重大损失的视频图片等，使得学生切身感受到在易燃易爆场所安装稳定可靠的气体监控系统的必要性。这里面引入家国情怀、工程师精神等思政元素，作为相关专业的学生，应该勇于担当。其次，引出问题，在有毒有害气体控制领域目前有哪些解决方案，为什么要用基于OneNet云平台方案，报警控制器应该具有哪些功能，最新的行业标准是什么，气体数据处理采用什么方法，成本如何控制，控制系统包含哪些功能模块。然后，分组开展小组讨论，每组4人，共计5组，这一环节给大家留出45分钟时间，每组充分发挥个人团队作用，通过查阅资料、讨论等方式，形成本小组方案。再次，每组派出一人，讲解对该监控系统设计的认识，教师讲解点评各组情况，就该系统中各功能模块进行讲解，并给出不同的选型依据。再次，布置大作业，分组完成此案例系统设计，本案例共计6学时，大作业需要学生课下合作完成。最后，后面2个学时用于讲解本案例的教师方案。因为本案例是实际工程项目，教师方案会非常完整地呈现从一个产品出发设计方案的考量，讲解完成后，留出20分钟提问讨论，虽然此为实际产品方案，但依然可以优化，提高学生创新思维能力。

此案例教学已经实施两届学生，学生反响很好，既对典型计算机控制系统作用、组成有了深入认识，又收获了具体功能模块的选型、应用方法，同时，通过集思广益，对基于OneNet有毒有害气体监测预警系统产品方案优化也有很大帮助，例如通过学生的提议，解决数据校验快速性和准确性平衡问题。

五案例库的特色

知识点案例与综合案例相结合，提升案例库使用的科学性、实用性。针对控制器、人机接口、过程输入输出通道、工业网络、控制算法和系统结构这六块内容，设计6个知识点案例和6个综合案例，多维度促进实践能力提升。

思政元素融入每个课程案例。把家国情怀、科学精神、人格发展和人文素养等思政元素融入到课程案例，结合工程案例、典型人物、软硬件发展和控制算法发展进程等在每个案例中体现1～3个思政元素。

企业委托工程项目与纵向科研项目相结合、打造科技创新案例库新高地。案例库基于团队成员所完成的国家级省部级科研项目或者企业委托的横向课题，瞄准科技前沿，把最新理论技术成果概括为生动教学案例。

六结束语

本文针对专业硕士课程计算机控制授课现状及存在的问题，提出建设路径，所建设的12个案例包含了知识点案例和综合案例两种类型，案例都是提炼于结题的纵横向科研项目，每个案例都包含了思政元素，通过本案例库两轮实施，机械专业硕士研究生对计算机控制系统认识相较于以前有了大幅提升，培养了学生工程实践能力和创新能力，本案例库建设为专业硕士其他专业课程建设提供一种建设参考，下一步考量出版一部基于案例库教学的计算机控制系统教学课程。

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DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.020