丁健 干开峰

【摘 要】《计算机控制技术》是自动化专业的一门理论性与实践性都很强的课程。加强实践环节，尤其是综合实践环节，是学生综合运用所学专业理论知识进行实际应用的设计过程。论文介绍以项目为载体，优化重置该课程的教学内容及教学方式，围绕计算机控制系统的教学实践，设计不同的实施项目，运用项目驱动教学，激发学生学习兴趣，培养学生创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，解决高校《计算机控制技术》教学与人才培养滞后问题，切实提高学生的实践动手能力和软硬件开发能力。

【关键词】计算机控制系统;教学实践;项目驱动

The Practice Teaching Study of “Computer Control Technology” Course Base on Project-driven

DING Jian GAN Kai-feng

（Department of Electronics & Electrical  Engineering， Hefei University， Hefei Anhui 230601， China）

【Abstract】“Computer control technology” is the automation of a theoretical and practical course， Strengthening the practice， especially the comprehensive practice， is the students comprehensive use professional theory knowledge to practical application of the design process. This paper introduces to the project as a carrier， teaching content and teaching methods of the course of the optimal reset， the computer control system of teaching practice， construction project different， the use of project driving teaching， to stimulate students interest in learning， cooperative spirit and style of study of the theory and practice of the cultivation of students innovation consciousness， teaching and talents in Colleges and universities， to solve the “computer control technology” culture lag system， to improve the students practical ability and hardware and software development capabilities.

【Key words】Computer control system; Teaching practice; Project-driven

0 引言

计算机控制技术是计算机技术、自动控制技术、通信技术、自动检测与传感技术、CRT技术相结合的综合应用技术，是自动化专业的一门主要专业课，也是一门实践性强的技术类课程。它涉及的基础理论和知识面较广，知识集成度高，在专业课程体系中占有重要的地位。由于专业理论性较强、概念抽象，理解起来有些困难，教师如何引导学生掌握该课程的基本理论和研究分析问题的方法，培养学生具有一定的工程实践能力，这是急需要解决的问题。加强实践环节，尤其是综合实践环节，是学生综合所学，进行实际应用的设计过程，通过设置不同的实施项目，运用项目驱动教学法，激发学生学习兴趣，培养学生创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，切实提高学生的实践动手能力和软硬件开发能力。

本课程的教学应该结合专业背景而展开，这样才能真正激发学生的学习热情，也是具体改进方法取得良好效果的关键。该门课程的学习效果将会对其走上工作岗位后的科学研究能力和工程实践能力均有较大的影响，上至分散控制系统下至DDC，以及现场的一个具体控制回路等都是计算机控制技术要考虑解决的内容。本门课程的实践教学可从以下几个方面考虑。

1 培养学生对知识的系统性和有机整合的能力

加强引导学生理解计算机控制系统各相关内容及相互之间的关系，内容主要有： 输入输出接口技术、通信和总线技术、控制算法、数字开环控制、数据处理技术、集散控制系统和现场总线控制系统、计算机控制系统的一般设计方法。看起来很杂，好似相互独立，实际上是与自控原理相衔接，包含着两部分内容：一是计算机控制理论基础， 即离散控制理论、离散系统分析与设计方法;二是实现技术，主要是通道接口技术与系统实现技术。需要强调计算机控制与连续控制的相同和不同的概念、不同的设计分析方法，让学生掌握计算机控制的基本分析、设计方法。从系统的角度，说明一个实际的计算机控制系统的组成和各部分功能及实现方法。[1]

合理确定理论教学内容和深度，如何将各个组成部分组合成为一个完整计算机控制系统，这也是开设本门课程的一个主要目的。实践教学环节也要围绕这个目的展开。

2 增强实验环节，培养学生解决问题的能力

课堂上理论教学缺乏对计算机控制系统的设计方法及相关理论知识的全面深入的理解，有必要通过物理闭环数字DDC 控制系统加强实验教学的内涵，以真正培养学生对综合知识的运用能力及动手能力。结合课程教学内容和实验室现有实验条件，让学生在实验室亲自动手完成课堂上设计的实验。这样使学生能够通过这个实例看到如何一步步把理论知识转化为实际的系统，从而增强系统连接和整体调试的综合能力。进一步，可再提供诸如简易电加热炉、数据采集卡、微機以及虚拟仪器软件LabVIEW或组态软件给学生搭建温度闭环控制系统实验平台，由学生完成从硬件选型、系统搭建、算法选择、软件编程一直到实现对炉温的控制这样一个完整的过程。通过实际调试，还可感受到工程实际和理论设计的差别，以及调试不通过时，反复调试，可逐渐掌握排查问题和解决问题的方法。

再有，还可更换被控对象，如机械手步进电机控制等，提供给学生更多的动手实践机会，激发学生实际操作的积极性和创新意识。

3 合理设置计算机控制系统综合项目

实践教学是提高学生创新精神和能力的重要途径，因而要合理安排好实验内容[2-4]。为此，应开发综合设计项目，通过实践教学，培养学生应用计算机控制技术理论解决实际问题的能力。综合设计项目与传统验证实验的最大不同是：实验只提出目标和要求，没有详细的实验步骤、实验电路图，学生根据情况自主选择难度等级不同的项目，根据系统的性能要求，独立完成系统设计、系统搭建和调试，写出实验报告。所有这些都能极大地调动学生学习的主动性和积极性，巩固课程理论，激发学习热情，培养学生动手能力和独立思考的能力，使其观察、分析、解决问题的能力都能得到很好的训练。

工业控制计算机作为计算机控制系统的核心部件，首先，要在设计项目中应体现其作为工业控制器的特点，只有这样，才能让学生充分理解工业控制计算机的硬件特性和功能。其次，将设计内容与工程实际结合起来，培养学生的工程意识。为此，要充分利用现代信息技术，围绕现有的计算机控制实验室和具有模拟和仿真条件的校内实验机房或实训室，着力开发较合适的实训项目或虚拟实验项目，既要能能达到锻练学生综合设计的能力，又要能让学生做得出来。开发的计算机控制系统综合设计项目举例见表1，并以项目四为例，证明虚拟实验室可以锻炼学生软硬件的综合开发能力。[5]

3.1 Smith纯滞后温度控制系统的Matlab辅助设计与仿真

电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以近似为带有纯滞后的一阶惯性环节。根据被控对象实验数据，可确定被控对象的纯滞后时间τ=80s和对象时间常数Tp=60s，其比例τ/Tp>0.5，故采用带有Smith预估器的数字PID控制算法，在Matlab软件的Simulink模型窗口创建smith.mdl模型文件，如图1所示[6]。

图1 带有Smith预估器的数字PID控制系统仿真模型

根据被控对象时间长短并结合工程经验，确定采样周期为1s，调试比例系数kp、积分系数ki，使系统闭环稳定，没有超调，使单位阶跃响应输出曲线的上升时间满足设计要求，可得仿真结果（如图2所示）。由图2可知，引入Smith预估器后，闭环系统的单位阶跃响应曲线无超调，只是在时间上滞后τ=80s。采用带有Smith预估器的数字PID控制算法可实现对电阻炉温度的纯滞后补偿控制。

经此本项目设计，学生可结合对电阻炉温度对象的控制，掌握smith预估控制器的设计原理及参数调试方法、技巧，为实际对象的控制及控制方法的合理选择积累经验。

3.2 温度检测信号及Proteus辅助设计与仿真

电阻炉的温度检测可采用镍铬-镍硅热电偶，经信号调理电路处理，再经A/D转换器输入单片机。可使用Proteus的ISIS组件绘制的ADC0809与AT89C51接口原理图。编辑源程序，使用keil C编译后向AT89C51加载可执行程序，仿真运行、调试，在显示电路显示对应的温度值，同时根据实际情况输出对应的控制信号，达到控制温度的目的。

经此虚拟设计，学生可学习A/D芯片ADC0809转换性能及编程方法，掌握A/D转换器与单片机接口软硬件设计方法。

在经过仿真验证后，可利用实验室等现有条件，进行实物的制作、调试。

3.3 项目报告

在每一个项目完成时，学生按小组总结本次项目设计的情况，并制作PPT演示文档对本项目做汇报小结。学生可以将自己在项目设计过程中碰到的一些困难、问题提出，并说明采用何种思路与方法解决实际问题;也可以将自己小组的开发设计思路和其他小组进行交流，从而加强对项目设计和项目所涉及知识点更深层次的了解和领悟。最后进行作业展示，教师应针对项目设计过程中出现的一些问题进行整理总结，并提出改进方法，也为以后的教学累积经验，达到教学相长的效果。

4 结束语

在验证性实验的基础上多做一些综合性设计实验或综合项目的设计对于计算机控制技术的掌握掌握尤为必要，但是Matlab、Proteus等仿真软件在计算机控制系统综合设计中的应用，提高了学生的学习兴趣和创新能力，对学生职业能力的培养也具有现实意义，再有就是利用虚拟仿真软件替代价格昂贵的实验设备和测试仪器，可在课堂上进行仿真分析，便于学生深入理解和掌握概念;同时，实验结果可用来指导实际系统的设计，减少实物实验调试和耗材，缩短项目设计周期。仿真不能完全代替实物，在利用Matlab，Proteus等软件进行仿真分析的基础上将其应用于实物系统，才能真正将校内实践教学与企业实际工作岗位需求有机衔接与融通。

【参考文献】

[1]严娟娟.以提高应用能力的“计算机控制”课程改革的思考[J].电气电子教学学报，2009（S2）：26-28.

[2]辅小荣.计算机控制技术课程实践教学探索[J].中国现代教育装备，2011（9）： 81-83.

[3]鞠阳.计算机控制技术课程教学方法改革探索[J].南京工程学院学报：社会科學版，2007，7（1）：45 - 47.

[4]王涛，徐英雷.“计算机控制技术”课程教学容探讨[J].中国电力教育，2009（22）： 108-109.

[5]张智军.计算机控制系统虚拟实验室建设与探索[J].中国现代教育装备，2012（9）：28-29.

[6]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2010，7.

[责任编辑：杨玉洁]