基于CDIO+PBL模式的計算機控制技術的實踐與創新

李敏艷 唐鴻儒 李生權 黃亞忠

摘 要：針對計算機控制技術課程的教學涉及面廣、理論與實踐性強的特點，構建了一種基于PBL+CDIO的多元立體化實踐教學模式。在課堂教學、基礎實驗、課程設計、專業綜合課程設計等不同階段，選取了經典控制PID算法為基礎，結合直流電機轉速控制為目標。以問題為中心，以項目為主線，系統地闡述了如何引導學生完成一個完整的計算機控制系統的設計、仿真與實現。該教學模式有助于提高學生的工程實踐能力和創新能力，同時也為教學改革提供理論和實踐基礎。

關鍵詞：計算機控制技術；PBL+CDIO教學模式；多元立體化實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）22-0035-03

Abstract： Aiming at the characteristics of wide-ranging， theoretical and practical teaching of computer control technology courses， a multi-dimensional practice teaching mode based on PBL+CDIO is constructed. In the different stages of classroom teaching， basic experiment， curriculum design and professional comprehensive curriculum design， the classical PID algorithm is selected as the foundation， and the speed control of DC motor is the target. Focusing on the problem and taking the project as the main line， it systematically expounds how to guide students to complete the design， simulation and implementation of a complete computer control system. This teaching model is helpful to improve students' practical and innovative ability in engineering， and also provide theoretical and practical basis for teaching reform.

Keywords： computer control technology； PBL+CDIO teaching mode； multi-dimensional practical teaching

一、PBL和CDIO相融合的教學模式簡介

計算機控制技術是一門融合計算機技術、控制理論和計算機通信技術等發展起來的理論和實踐相結合的新型交叉學科。它主要研究如何將計算機技術和自動控制理論相結合，應用滲透于工業生產過程， 并設計出合理的計算機控制系統。在課程教學改革中，降低傳統LBL教學模式的使用頻率，探索PBL和CDIO相融合的多元立體化教學模式。PBL教學強調以問題為引導，通過學習者的自主探究和合作來解決問題；而CDIO教學側重過程實踐，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。兩種模式有機結合、融會貫通，有助于培養學生自主學習和解決復雜工程問題的能力。

二、PBL+CDIO教學模式的實施

（一）課程內容與教學進度安排的改革

為實現課程的多元立體化實踐教學模式，我們將教學體系劃分為四個階段：課堂教學、基礎實驗、課程設計和專業綜合課程設計。這四個階段循序漸進，組成了一個相互驗證、相互促進的有機整體。各階段包含的主要問題相互呼應，同一類問題在不同階段采用不同的方式加以解決和驗證。同時課程與課程群中的相關課程環環相扣、相輔相成，這對拓寬學生的知識面，提高學生的判斷能力、分析能力和決策能力有極大的幫助。

（二）基于PBL+CDIO的課堂教學開展

結合PBL+CDIO教學模式，我們選擇了“數字PID控制的參數整定方法”等6個項目課題。課題與課程的重點和難點密切結合，以學生自主學習為中心，將提出問題、分析問題、解決問題、反思與應用等連續遞進的過程穿插于理論教學中開展。

以課題“數字PID控制的參數整定方法”為例，電氣1401班35名學生，自主組成了10個項目小組。各小組在明確學習目標后分配任務，開展項目設計與實施，最終進行項目匯報討論及總結。在課題實施過程中，學生對數字PID的原理、設計、改進方法進行了分析與探索；對各種參數整定方法，如擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法、湊試法、優選法的適用場合和特點進行比較、討論和總結。這種以問題為中心的教學模式收到了良好的教學效果，學生從多方面、多角度深入掌握了知識難點，這不僅提高了學生學習知識的主觀能動性，而且還培養了學生的團隊合作與創新能力。

（三）基于PBL+CDIO的基礎實驗實施

實驗教學是培養學生實踐創新能力的一個重要途徑，學生需要通過實驗來證明和鞏固理論知識體系。我們安排了與理論知識密切關聯的“數字PID控制”等4個實驗。

實驗的開展也遵循PBL+CDIO教學模式的流程。以實驗“數字PID控制”為例，教師先提出閉環控制系統的控制要求和性能指標；學生以課堂教學中的課題為基礎，自己設定被控對象，選擇相應的PID算法和參數整定方法，分組進行，完成相關的設計要求。以某組學生選定的被控對象G（s）=■為例，先在“TD-ACC+”實驗系統上選擇運放及阻容元器件搭建被控對象電路。然后構建由控制計算機、A/D轉換器、D/A轉換器、信號源、被控對象等組成的計算機控制系統。控制算法選用帶積分分離的位置型PID，參數整定方法采用擴充臨界比例度法及湊試法。運行閉環控制系統，最終選定一組參數Kp=2，Ti=400s，Td=5s，T=0.05s，得到如圖1所示的超調<10%、調節時間<1s、穩態誤差趨于零的階躍響應曲線。

同時，該實驗與課堂教學環節中的“數字PID控制的參數整定方法”課題相對應，實現了從理論到實驗的過渡。從實驗報告中看出，該實驗起到了良好的實踐驗證效果。

（四）基于PBL+CDIO的課程設計實施

以PBL+CDIO為主導思想，課程設計從模塊項目確定開始，經方案構思與設計、仿真驗證、畫圖、搭建電路與編程、系統調試，到最后的驗收匯報。我們設計了位置型PID、大林算法、施密斯預估控制等8種控制算法，結合直流電機、步進電機、電爐溫度和水箱液位等4類被控對象，完成了一個完整的計算機控制系統的設計與實現。整個課程設計進程分仿真設計和控制系統實現等兩個部分。

（1）仿真設計。以“基于位置型PID的直流電機轉速控制”題目為例，為了方便對比和驗證，學生選用了與實驗教學中相同的被控對象。首先在Simulink中建立系統仿真圖，如圖2所示。圖中控制器的具體功能通過一個S-function函數來實現，該控制器采用的是帶抗積分飽和的位置型PID控制算法，相關算法編程如下：

function sys=mdlOutputs（t，x，u，Kp，Ti，Td，T）

global umax uk ek ek_1 sum

ek=u（1）-u（2）；

sum=sum+ek；

k=Kp*[ek+T/Ti*sum+Td/T*（ek-ek_1）]；

ek_1=ek；

if uk>umax uk=umax； end

if uk<-umax uk=-umax；end

sys=[uk]；

取參數Kp=1.5，Ti=100s，Td=0.1s，T=0.02s，仿真得到超調<5%、調節時間<1s、穩態誤差趨于零的單位階躍響應曲線，如圖3所示。

（2）控制系統實現。在Simulink仿真基礎上，設計出直流電機轉速控制系統方框圖，如圖4所示。

PID控制器輸出PWM信號經驅動后控制直流電機運轉；霍爾測速電路記錄電機轉速構成反饋量，計算偏差，經PID運算，電機可在控制量作用下，按給定轉速運轉。學生最終完成硬件電路的設計與搭建、編程、系統調試和驗收匯報。取參數Kp=1.6，Ti=60s，Td=20s，T=0.05s，得到如圖5所示直流電機轉速控制響應曲線。電機轉速設定為50轉/秒，超調<10%，調節時間<1s，滿足了設計要求。學生對此次課程設計的評價非常滿意，一致認為真正實現了理論、仿真與實踐相結合，受益匪淺。

（五）專業綜合課程設計的探索

依據專業認證標準，專業培養方案課程體系中增設了3周的專業綜合課程設計。它是我院電氣專業的專業實踐性環節，在第七學期末開設。在計算機控制技術、自動控制原理等課程群基礎上開發了若干項目，引導學生完成方案設計、詳細設計、開發、調試、驗收、考核、撰寫設計總結報告等工作。我們設計了“基于LabVIEW的直流電機控制系統”等若干項目，對課程間的知識、方法、問題進行了整合，使它們相互照應，滲透互補；同時也促進了課程結構的優化，為后續的畢業設計奠定了基礎。

三、結束語

實踐證明，在工程教育專業認證背景下，計算機控制技術課程的教學改革以CDIO+PBL的多元立體化實踐教學模式為基礎，以培養工程應用創新能力為主線，注重工程思維，強化實踐能力，培養創新精神，為創新自主學習型人才的培養和教學改革提供了理論和實踐基礎。

參考文獻：

[1]于海生，丁軍航，潘松峰.微型計算機控制技術（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2017.

[2]周俊.計算機控制技術[M].南京：東南大學出版社，2016.

[3]林健.基于工程教育認證的卓越工程師教育培養計劃質量評價探析[J].高等工程教育研究，2014，5：35-45.

[4]顧佩華，胡文龍，陸小華.從CDIO在中國到中國的CDIO：發展路徑、產生的影響及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017，1：24-43.

[5]楊燕，李振璧，馬瑩.《計算機控制技術》課程教學改革與研究[J].高教學刊，2017，6：115-117.

[6]王宏祥，曾紅.基于CDIO模式強化課程實踐教學探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：196-199.

[7]王麗玫，王春芝.基于PBL的CDIO實踐教學體系構建[J].廊坊師范學院學報，2014，14（5）：116-117.

[8]閆明明，楊平，熊靜琪.基于Matlab/Simulink輔助的《計算機控制技術》實驗案例[J].實驗科學與技術，2014，12（2）：53-55.

[9]朱永紅，劉蜀陽，王建宏.基于CDIO理念《計算機控制技術》一體化教學改革與實踐[J].景德鎮學院學報，2015，30（3）：41-44.

[10]李敏艷.計算機控制技術課程設計的創新與實踐[J].實驗室科學，2010，13（2）：112-114.