“计算机控制系统”课程建设

摘 要：“计算机控制系统”是自动化类专业的一门重要专业课,是培养实践型与创新型人才的关键课程之一.通过分析南京邮电大学“计算机控制系统”课程本科教学的现状和存在的问题,提出了一系列教学改革措施,从课程的教学内容、教学方法、教学手段、实践教学和考核方式等方面来解决教学中存在的问题.

关 键 词：计算机控制；教学改革；理论教学；实践教学

作者简介：程艳云（1974-）,女,江苏姜堰人,南京邮电大学自动化学院,副教授.（江苏南京210023）

基金项目：本文系南京邮电大学教学改革项目（项目编号：JG00412JX56）的研究成果.

中图分类号：G642.3文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）32-0103-02

“计算机控制系统”是自动化类专业的一门重要的专业基础课.[1]通过该课程学习,使学生了解使用计算机进行工业控制的一般方法和过程,掌握计算机控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术,从而使学生具有计算机控制系统理论知识和实际应用能力.由于“计算机控制系统”课程理论性较强,同时具有很强的实际应用背景,需要对该课程的课程建设进行探索.

一、“计算机控制系统”教学现状分析

南京邮电大学在2011年之前开设的“计算机控制系统”一课是32学时.由于教学学时的限制,“计算机控制系统”主要讲授离散控制系统的硬件实现,包括其最小系统实现、A/D、D/A变换、输入输出接口电路等.虽然本课程为学生打下了较坚实的硬件实现基础,但学生在具体应用中很难将计算机控制理论与其硬件实现电路相联系建立整体的系统概念.在2009年的教学大纲修订计划中,根据教育部新颁发的自动化专业课程设置要求,把原来依托在《自动控制原理》一课中的离散控制理论基础部分放在《计算机控制系统》中讲授,学时从32学时调整为48学时.“计算机控制系统”一课在2011～2012学年的第二学期已经依据48学时的授课计划进行了一学期的教学授课.在实践过程中发现,学生普遍反映该课和前续计算机类课程“微机原理及接口技术”、“C语言程序设计”和“单片机原理及应用”等重复较多.“微机原理及接口技术”和“C语言程序设计”负责传授计算机硬、软件基础知识,培养硬、软件初步设计能力.在此基础上开设的“单片机原理与应用”课程,专门传授嵌入式系统方面的知识.“计算机控制系统”课程则是针对自动化等专业领域的特殊需要,专门传授计算机控制系统的分析和设计方法,培养在控制工程领域综合应用计算机技术的能力.这种支撑和衔接关系应该在教学中得到充分体现,然而,每门课程独自为政的教学体系导致这些课程之间的知识支撑作用和相互衔接关系在教学大纲、授课计划和实际教学过程中均未得到充分体现,这就需要教师在课堂教学时进行合理的取舍.

“计算机控制系统”课程作为一门集控制理论与数字化实现为一体的课程,涉及内容广泛.该课程主要涉及两个领域：一个是离散控制理论,包括计算机控制系统的基本概念、采样定理、离散控制系统的建模、分析与设计、数字化控制律的计算机实现.另一个是计算机控制系统的硬件实现,包括硬件组成、输入输出接口电路、硬件抗干扰技术和可靠性技术等.对于这门综合程度高、实践性强的课程,需要有效地开展实验等实践教学环节,使学生在实践中更加深入地理解和消化理论知识,并初步具有独立设计和调试计算机控制系统的能力,为后续的学习和工作奠定基础.以前课内实验的项目和内容设置为分立的验证性和简单的设计性实验,依赖于成套的商品化实验设备,使得实验停留在要求学生按图接线、记录数据等认知性、验证性实验的层面上,在提升学生的动手能力、设计能力和创新能力方面作用有限.

另外“计算机控制系统”一课开设在大学三年级下学期,此阶段的学生已经学习过大量的基础和专业课程,面临着继续深造还是就业的两难选择,容易产生浮躁的心态,很难静下心来认真学习.因此,教师需要采取多种手段来激发学生的学习兴趣,如采用设计型实验、展开兴趣小组、参加科研课题以及参加竞赛等手段,形成以学生为主体的自主学习模式.

二、理论教学方法改革和探索

1.教学内容的改革

“计算机控制技术”课程所涉及的内容极为丰富,大体上包含了计算机控制系统的硬件组成、控制算法和软件实现等诸多方面.[2]目前,该课程所编制的教材和参考书种类众多,但内容并不统一,基本可以分为偏重理论教学和偏重实际工程应用两大类,有的偏重实际,但理论性不强；有的偏重理论,但应用不多.在实际教学中,根据学生的专业方向和教学的目的对教学内容进行适当的取舍是教师应该考虑的问题.在课堂教学中,首先应保证理论体系的完整性,并且要注重理论联系实际.完全厚此薄彼,仅仅侧重理论教学或只重视实际应用都无助于学生对知识的完整掌握.但这也不意味着在课程内容的选择上眉毛胡子一把抓,把一切的内容都纳入讲授范围.应该根据教学要求从硬件构成和理论基础两部分来进行讲授.

在讲述“计算机控制系统”接口电路时,涉及了一些与“微机原理及接口技术”和“单片机原理及应用”上述先修课程相重复的内容,如输入输出通道A/D、D/A转换器的接口与编程方面的内容.在授课时强调对于控制系统领域,针对于被控对象有其自身的特点设计相对应的电路.在讲授计算机控制系统硬件实现时,没有按照书上的章节授课,而是以实际温度控制系统为例来说明计算机控制系统设计时应该考虑的因素,从而把书上关于硬件实现的知识点包括进来.举例讨论温度测量环节的设计,分析如何根据系统性能指标的要求选择相应的温度传感器,温度传感器和计算机之间如何实现信息交换,温度传感器测量的数据如何处理.讨论温度控制功率放大电路,书本介绍的功率驱动电路有哪些,有何特点和相对应的应用场合,如何根据计算机型号和被控对象的要求选择合适的功率驱动电路,设计功率驱动电路需要考虑哪些问题等.通过对实际系统的分析设计,学生增加了兴趣,同时对系统有了整体概念,知道系统设计时需要考虑哪些问题,从哪些方法着手,教学效果很好.在讲授计算机控制理论实现时,目前教材普遍使用（AT89C51）组织教学,市场上主流的单片机除了8位的51、PIC、R等,还有16位的MSP430、32位的ARM、R32、x86、PowerPC、68K等单片机.实际应用中,还出现了DSP（数字信号处理器）、FPGA/CPLD（现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件）与单片机（MCU）以及嵌入式处理器相融合的趋势.在课程教学中反映这些新技术和新产品,学生对它们的应用场合、特点和性能等有一定的理解.2.教学方法的改革

在课堂教学中,以前的教学方式主要以借助PPT,授课老师按部就班地讲授教学大纲中规定的内容,整个过程注重于知识的传授,缺少和学生的互动,使得学生失去学习的兴趣,制约了学生自主学习能力和解决实际问题能力的培养.特别是现在网络很发达,很多学生上课的时候会利用手机浏览网页或者玩游戏,如果老师对这样的状况不采取相应的教学手段,随着课程的深入,这部分学生会因为觉得课程越来越难学而最终选择放弃.[3]

在教学中鼓励学生进行探究式学习,变被动学习为主动学习.对一些课程内容可以大胆让学生上台讲授,在课前事先给学生进行分组,对不同组别分配不同的任务.下次课以学生作为主体,每组推举代表上台讲述,组内同学可以补充,其他组的同学可以进行提问、分析和评论,老师在旁边加以点评.从效果上来看,学生的积极性很高,不仅学会了使用网络和图书馆的数字资源查询资料,还通过阅读大量的文献对所学知识有了更进一步的认识和理解,对课程的学习兴趣更加浓厚.同时引导学生对重要的知识点在课后通过查找资料等方式进行进一步的学习.

培养学生思考问题、解决问题的能力.如讲述数字PID控制算法时,要求学生事先预习PID控制算法的计算机编程实现,理解积分算法和微分算法的改进,要求MATLAB编程实现各种改进算法.课内分组讲述各种改进原因和改进算法,并仿真显示改进结果.课堂气氛良好,学生反应积极,理论分析和仿真实现相结合,加深了学生的理论基础.

另外,上课时要注意调节课堂气氛.该课程在教学上安排是连上三节课,在教学过程中发现,往往到了第三节课,学生就会出现疲倦、厌烦等情绪.这时可以安排一些有针对性的练习,使学生巩固课堂上所学的知识,老师也能及时对学生课堂上的掌握程度有所了解.其次可以在课堂上针对课程的重点,采取板书、重复讲述、提问等方式加深学生对教学重点和难点的理解.为了活跃课堂气氛,还可以安排一些专业小故事、录像、名师访谈等小片段调节课堂气氛.针对大部分学生不理解的问题,要放慢授课速度,反复解释,反复提问,直到所有同学理解为止.

三、实验教学方法改革和探索

为了加深学生对课堂理论教学的理解,精心设置了以下实验：

实验一：计算机控制系统性能分析.该实验要求学生通过MATLAB软件仿真建立计算机控制系统的数学模型；掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法；观察控制系统的时域响应,记录其时域性能指标；掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法.通过该实验学生加深了书本上关于计算机控制系统数学建模、稳定性分析、时域性能分析和频域性能分析这部分内容的理解.

实验二：数字PID控制.由于PID控制具有原理简单、参数整定和调节方便、应用场合广泛等特点,在工业控制领域得到了广泛的应用.理论课上,教师讲授P、I、D各参数对控制系统性能的影响,PID参数自整定的方法,数字PID控制算法的改进（例如：实际微分PID控制、防积分饱和PID控制、PID控制的离散形式、各主要控制公司采用的PID控制方法）的设计和针对不同的控制硬件配置的实现方案等.对于该实验,要求学生首先根据控制系统性能指标要求运用MATLAB软件进行PID控制器参数整定,再把整定好的PID控制器运用到硬件实现的被控对象,理论和实践相结合.通过该实验要求学生研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响；研究采样周期对系统特性的影响；研究I型系统及系统的稳定误差；分析普通PID控制算法和积分分离PID控制算法的性能优劣.

实验三：最小拍控制系统.一个稳定的连续时不变系统,达到稳态的时间是无限.但对于计算机控制系统,通过设计却可以实现在有限个采样间隔内达到稳态值,从而获得比连续系统更好的性能.这是计算机控制系统和连续控制系统在控制算法上很大的区别.通过该实验,要求学生建立计算机最小拍控制系统的一般概念；掌握有纹波最小拍控制器的设计方法；分析纹波现象的产生；设计无纹波最小拍控制器；了解最小拍控制器对被控对象数学模型的建立精确性要求较高的缺点,掌握最小拍控制系统的改进方法.

实验四：温度控制系统.最后为了加强学生计算机控制系统的整体概念,设置了该实验.

对于有能力、有兴趣的学生,学校建立了兴趣小组、科研课题以及开展了竞赛,保证学有余力的学生在课后有更多的发展空间.

四、考核方式的改革

新的考核方式既鼓励了学生的积极主动性,又达到了考查学生知识和能力的要求.本课程考试由4部分组成：平时成绩（包括课堂表现和课堂测试）,占总成绩的10%；作业,占总成绩的10%；期末闭卷考试,内容的重点放在离散控制理论基础和离散控制算法设计,占总成绩的70%；控制系统设计大作业,占总成绩的10%.[4]

这种考核方式使得考核内容更加全面,形式更加灵活,而且强调了学生的实际动手能力,使考核结果更加客观.

五、结束语

在近几年来的课程教学中,对“计算机控制”课程的理论和实践教学改革进行实践和探索,从教学内容、教学方法、教学手段、实践教学和考核手段等多方面入手逐步完善本课程的教学,取得了比较好的效果.课程教学改革的探索本身就是一个长期的过程,教师应根据所教学生的实际情况、教学条件的具体变化以及学生的反馈意见,不断探索新的教学思路和教学方法,力求使自己的教学能力不断提高,以培养出更多更好的实践型与创新型人才.