電氣工程及自動化專業計算機控制技術課程教學方法研究

摘 要 針對電氣工程及自動化專業特點，以及應用型本科生的培養目標，提出計算機控制技術課程有效可行的教學方法，包括理論和實驗教學方法的設計，激發學生理論學習興趣，培養學生創造性思維和實際動手能力，提高教學質量。

關鍵詞 電氣工程及自動化；計算機控制技術；教學方法；實驗教學

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2011)24-0054-02

Study on Teaching Methods of Computer Control System Course for Electrical Engineering and Automation//Sun Xiaojuan

Abstract Aiming at the characteristic of electrical engineering and automation， and training aim of applied graduate students， the paper puts forward effective measures， including theoretic and experimental teaching method， and stimulats learners’ interests， training students’ creative thinking abilities and hands-on ability， improving teaching quality.

Key words electrical engineering and automation; computer control system; teaching method; experimental teaching

Author’s address Dept. Electronics Elect. Engn.， Baoji Univ. Arts Sci.， Baoji， Shannxi， China 721006

計算機控制技術是工科自動化及相關專業的專業課程之一。課程融計算機、自動控制、電子、通信技術于一體，又融理論、技術、方法、工程實現于一體，使學生在自動控制原理學習的基礎上，具有搭建一個實際系統，具備設計、實現和調試一個工程的能力。為了適應我國現代化建設的需要，培養適應新時代需要的建設性人才，課程教學方法和教學內容的研究就顯得尤為重要。根據課程內容特點，結合目前計算機控制應用領域最新技術，提出本課程的理論和實驗教學的方法和手段，使學生將計算機技術和自動控制理論應用于生產過程，提高本課程的實用性和實踐性。教學實踐表明，本課程教學方法是行之有效的，提高了教學質量和教學水平。

1 電氣工程及自動化專業特點以及培養目標

1.1 電氣工程及自動化專業特點

電氣工程及自動化專業主要學習電工電子、信息控制及計算機技術方面的課程。學生將在控制與生產自動化、自動控制與自動化軟件應用方面獲得系統分析、設計、開發與研究的基本能力。強電為主、強弱電結合，電工技術與電子技術相結合，軟件與硬件相結合，元件與系統相結合，所培養的學生系統觀念強，基礎知識寬厚，具有較強的工程實踐能力和創新能力。

1.2 電氣工程及自動化專業培養目標

電氣工程及自動化專業培養德、智、體、美、勞全面發展，知識、能力、素質協調進步，能夠從事與電氣工程有關的系統運行、自動控制、電力電子技術、信息處理、試驗分析、研制開發、電子與計算機技術應用等領域工作的“高素質、強能力、應用型”高級工程技術人才。所謂的面向應用或者應用型本科的教學定位，就是以適應社會需要尤其是生產、建設、管理、服務等第一線需要為目標，以培養學生的技術應用能力為重點，因此更強調學生的動手能力和解決生產一線問題的能力。

2 計算機控制技術課程教學方法設計

2.1 計算機控制技術課程內容特點

計算機控制技術是自動化、電氣工程及自動化、電子信息科學、計算機科學與技術等專業本科生必修的主干專業課程，在電類專業人才培養方面具有非常重要的地位。該課程主要討論計算機控制系統的組成及特點、計算機控制系統的硬件技術、順序控制與數字程序控制、常規及復雜控制策略、現代控制策略、計算機控制系統的軟件技術、集散型控制系統、數據通訊及測控網絡技術、系統的設計與工程實現。

工業控制是計算機的一個重要應用領域，計算機控制技術正是為了適應這一領域的需要而發展起來的一門專業技術，它主要研究如何將計算機技術和自動控制理論應用于生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統。要求學生掌握基本的計算機控制系統分析方法、軟硬件的設計、工程實現技術。通過本課程的學習，使學生掌握計算機控制系統的理論與技術，受到較好的工程實踐基本訓練，具有分析、設計、開發和研究計算機控制系統的基本能力。

課程目標：在使學生掌握計算機控制系統的基本理論、硬件與軟件組成、傳統與現代控制算法、系統分析與設計方法、系統的工程實現與調試運行技能的同時，注重培養學生建立工程觀、系統觀、集成觀，強化實踐技能，著力培養學生的創新精神和創新意識。

2.2 理論教學方法的設計

1）改變傳統模式。傳統的“計算機控制技術”課程教學主要使用Z80微型計算機為主要控制工具，也有使用MCS-51單片機為主控制器，這些都和實際應用相差太遠，實際應用中主要是采用總線式計算機（PC總線或STD總線）工業控制機[1]。傳統教學方式都是按芯片——電路設計——模塊制作——系統安裝順序教學，而現代較多采用總線式工業控制機來組建計算機控制系統，微機硬件技術和軟件技術為手段，系統的工程實現為目的，從而做到理論、技術與實際應用相結合的新模式。新模式具有研究周期短、可維護性好、技術水平和可靠性高等優點。

2）采用計算機仿真技術，加深學生基礎理論的理解。計算機控制系統仿真是根據真實系統的物理模型或數學模型，利用計算機或實物、半實物，建造一個模擬系統，在模擬系統上進行觀測、實驗和分析，從而達到認識、理解和控制真實系統的目的[2]。充分利用現代計算機仿真技術，將一些學生無法建立的系統模型用計算機仿真的方法搭建，加深學生理解知識，努力提高學生的想象力和創造力。對于一些控制理論與算法的研究，進行系統仿真更是必不可少的。計算機控制系統的核心就是數字調節器，下面以數字PID調節器的設計為例，說明計算機仿真教學方法的設計。

PID控制：調節器的輸出是其輸入的比例、積分和微分的函數，結構簡單，應用廣泛。其模擬表達式如式①：

將積分項和微分項離散化：

將②③式代入模擬表達式①中得到離散PID表達式：

式（4）中，KP為比例系數，TI為積分系數，TD為微分系數[3]。通過整定比例、積分、微分系數可以使控制系統達到理想的控制效果。設有一單位反饋系統，其開環傳遞函數為：

根據擴充臨界比例度法，利用MATLAB設計PID控制器使系統穩定。其仿真結果如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以直觀得到：KP加大，將使系統動作靈敏，響應速度加快、偏大，衰減振蕩次數增多，調節時間變長；TI的作用有助于消除系統余差，提高系統的控制精度，但若TI太大，積分作用太弱，則不能減小穩態誤差；TD微分時間常數的增加可以改善系統的動態特性，如超調量減少，調節時間縮短，允許加大比例控制，使穩態誤差減小，提高控制精度。

PID參數對系統性能的影響，采用MATLAB系統仿真分析，將控制規律全面、深入地演示，在課堂教學中可加深學生對各種控制規律的內在意義的理解，使復雜的理論簡單化。

2.3 實驗教學方法的設計

實驗教學是電氣工程及自動化專業教學的關鍵，學生的動手能力、工程實踐能力和創新能力都要在實驗中獲得鍛煉，也在實驗中得以體現。因此結合專業，以實際應用為主，安排實驗教學環節，使學生在實驗過程中能看到該課程涉及的技術的應用前景，體會到應用該課程的知識解決具體工程技術問題的樂趣，進而提高學生的學習積極性和學習質量。

比如單閉環溫度恒值控制系統實驗，實驗要求學生理解溫度閉環控制的基本原理，了解溫度傳感器的使用方法，學習溫度PID控制參數的配置。該實驗中溫度的驅動部分采用直流15 V的驅動電源，經過PWM調制后加到加熱器的兩端。溫度測量端（反饋端）采用鉑熱電阻溫度傳感器，采用PID控制算法控制溫度穩定在設定值，修改P、I、D的參數，觀察系統響應，并分析結果。

溫度控制的實驗是與實際工農業生產非常貼近的，比如加熱爐溫度控制、溫室生產溫度控制、飛船船艙溫度控制等，這些溫度控制大都采用計算機控制技術實現自動調節。對于電氣工程及自動化專業學生來說，這些行業也是其就業的方向，所以實驗教學的設計有利于學生了解實際生產，并能明確就業方向。

3 結束語

計算機控制技術課程具有理論性強、實踐性強、涉及知識面廣等特點，精心設計理論教學過程可以提高學生學習興趣，使復雜的理論簡單化；與工業生產實際相結合的實驗教學，提高學生創新能力和動手能力，使學生了解工業生產過程，培養優秀的應用型本科畢業生，滿足社會發展需要。

參考文獻

[1]于海生.自動化專業《計算機控制系統》課程的改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2000，22(3):16-17

[2]李祥飛，張昌凡.“計算機控制系統”課程教學方法探討[J].中國電力教育，2010(12):85-86

[3]于海生.微型計算機控制技術[M].北京:清華大學出版社，2008:85-86

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文