基于案例的《計算機控制系統(tǒng)》課程教學改革探索

東莞理工學院電子工程學院 劉學良 張 志 趙 洋 姜 鳴

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基于案例的《計算機控制系統(tǒng)》課程教學改革探索

東莞理工學院電子工程學院 劉學良 張 志 趙 洋 姜 鳴

【摘要】介紹了《計算機控制系統(tǒng)》課程教學上的一些改革探索及實踐。 傳統(tǒng)教學方式傾向于理論知識的教授， 忽略了學生實踐應用能力的培養(yǎng)。本文借鑒歐美國家研究型大學的教學法， 在計算機控制系統(tǒng)課程上進行以案例為中心的教學方式， 直接以案例開啟教學。通過案例教學的實踐，不僅使學生加深了對計算機控制系統(tǒng)課程內(nèi)容的理解，同時也提高了學生學習興趣和實踐能力，教學效果良好。

【關(guān)鍵詞】計算機控制系統(tǒng)；案例教學；教學改革

本文為東莞理工學院教學改革基金資助項目。

1　引言

計算機控制系統(tǒng)是自動化、電子信息工程、電氣工程及其自動化等相關(guān)專業(yè)開設的一門主干課程。近年來，隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡與通信技術(shù)、現(xiàn)場總線智能儀表，尤其是可編程邏輯器件的高速發(fā)展，計算機控制技術(shù)知識的更新速度日益加快，這就對《計算機控制系統(tǒng)》課程的教學提出了更高的要求。顯然傳統(tǒng)的以課堂為中心、以教師為中心、以教材為中心的傳承式教學模式已經(jīng)不能適應現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需求，不利于應用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。因此對《計算機控制系統(tǒng)》進行教改，激勵學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，具有重要的實際意義。

計算機控制系統(tǒng)課程的教學方式以講授理論課為主，實驗課教學為輔。雖然該課程為學生打下了較堅實的計算機控制理論基礎，但學生在實際應用時很難將數(shù)字控制理論與單片機技術(shù)、PLC及傳感器與檢測技術(shù)等其他課程知識有機結(jié)合起來，難以學以致用。另外，即使學生掌握了基本理論知識，但不知道此門課程的理論知識到底有什么用，怎么來用，用到哪？目前，全國各大學都針對各自學校的特點，從教學思想、教育觀念、教學方法和手段等多方面進行對《計算機控制系統(tǒng)》課程進行改革，進行了許多有益的嘗試，但校情不同，生源不同，歷史沉淀有別，不能照搬照套別人的教育教學模式。因此我院的改革勢在必行，改革是學科發(fā)展的必然，是對傳統(tǒng)課程體系的挑戰(zhàn)，是素質(zhì)教育的需要。

2　案例教學

案例教學是在教師的引導下，根據(jù)課堂教學目標和教學內(nèi)容的需要，通過設計具體案例，通過組織學生對案例的調(diào)研、閱讀、思考、分析、討論、表達和交流等活動，掌握并理解與案例密切相關(guān)的基本概念與基本原理，進而提高學生分析問題和解決問題的能力的一種教學方法，是一種典型的理論與實踐相結(jié)合的互動式教學。

與傳統(tǒng)教學方法不同，案例教學不單指向教，而且也覆蓋學，教與學相輔相成。其可貴之處在于從來自社會實踐的案例中的問題出發(fā)，啟動特有的教學程序，而在教學系統(tǒng)結(jié)尾，又回歸到問題的解決之上。與傳統(tǒng)的灌輸式教學方法相比，案例教學法顯示出理論聯(lián)系實際、促使學生尊重社會實踐的優(yōu)越性。案例教學關(guān)注的不僅僅是事實性知識和概念的獲取， 更重要的是注重培養(yǎng)學生獨立思考、分析與解決問題的能力， 啟發(fā)學生建立一套思考問題的方法與分析、解決問題的一種思維方式。

圖1　電阻爐溫度控制系統(tǒng)

3　案例講解

本節(jié)以電阻爐溫度控制系統(tǒng)為案例，首先通過實物介紹計算機控制系統(tǒng)的硬件，其次，用實驗模擬法來辨識出控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后在此基礎上，設計一個合適的控制器，最后通過對仿真驗證。典型的電阻爐溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。 實施案例教學分以下四部進行。

3.1系統(tǒng)硬件介紹

典型的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的硬件包換計算機、A/D、D/A、執(zhí)行器、傳感器及PCI總線。通過實物對比，讓學生對硬件設施有一個初步的了解，引起學生的興趣。

圖2　計算機控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

3.2系統(tǒng)模型的建立

電阻爐加熱時溫度上升具有延時現(xiàn)象，不妨將其模擬成一個典型的純滯后一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

3.3PID控制器及smith補償器設計

數(shù)字控制器采用增量式PID控制算法，即：

在電阻爐溫度控制過程中，溫度的加熱存在延時，將會導致整個控制系統(tǒng)超調(diào)量過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生振蕩或者不穩(wěn)定。接下來通過設計Smith預測控制來消除滯后的影響。根據(jù)Smith預測控制器設計原則，設計如下下的Smith預測控制器：

對其離散化可得數(shù)字Smith預測控制器：

3.4系統(tǒng)仿真及驗證

接下來通過用純PID與PID和Simth預估的控制相結(jié)合兩種控制方式對比控制效果。取，用Simulink建立仿真，如圖3和圖4所示，其控制效果如圖5和圖6所示。

圖3　PID控制系統(tǒng)框圖

圖4　PID與Smith結(jié)合的控制系統(tǒng)框圖

圖5　PID控制效果圖

圖6　PID與Smith預測相結(jié)合的控制效果圖

由圖5和圖6可知，Smith預估控制會使得溫度調(diào)節(jié)超調(diào)量小，且調(diào)節(jié)時間比純PID調(diào)節(jié)短，改善了動態(tài)性能。通過實際案例分析，學生充分參與思考、分析、討論等活動，對所學知識清晰的認識，加深了對理論知識的理解并學習致用。

4　結(jié)語

通過實際案例的講授，使學生了解所學理論知識到底有什么用，用在哪，怎么用，從而提高了學生學習的興趣。這種基于案例的教學方法采用課堂教學、實踐教學相結(jié)合的方法，理論與實際，將實際應用與課程理論教學緊密聯(lián)系在一起。 實踐表明，通過案例教學的改革實踐，不但加深了對設計控制系統(tǒng)內(nèi)容的理解，而且提高了學生的興趣、自學能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻

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劉學良（1983-），男，湖南祁陽人，博士，東莞理工學院電子工程學院講師，研究方向：計算機控制系統(tǒng)、傳感器與檢測技術(shù)方面的教學與教改。

作者簡介：