计算机控制教学内容探讨

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《计算机控制》技术是一门以控制理论为基础，以数字控制技术为核心，综合电子技术、微型控制器技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。目前《计算机控制》课程作为自动化专业的专业课程在工科院校也已普遍开设，但由于该课程理论体系庞大、应用技术宽泛，实际的《计算机控制》课程包含的教学内容并不统一。针对这一情况，本文通过分析现有教材内容的不足，提出适合应用型工科院校本科教学的《计算机控制》课程体系。

一、现有教材内容分析

目前国内《计算机控制》课程教材数量很多，从“读秀”网检索书名《计算机控制》，能搜索到近千本相关图书。这些教材依名称大致可分为《计算机控制技术》、《计算机控制系统》、《微型计算机控制技术》等3类。纵观上世纪90年代以来出版的代表性教材和规划教材，《计算机控制》教材内容可明显分为理论知识和应用技术2个部分。其中，理论知识部分内容相对统一，即包含线性离散系统的Z变换分析、数字控制器的模拟化设计、数字控制器的离散化设计、线性离散系统的离散状态空间分析等4大部分，但各教材对于这些内容的取舍不尽相同，且各部分篇目名称也不尽一致。应用技术部分内容虽然一般归在“计算机控制系统的设计与实现”篇目下介绍，但内容却很不统一。上述问题具体可归纳为以下几点：（一）理论知识内容取舍不够合理。《计算机控制》课程的理论内容基本承接自《自动控制原理》、《过程控制》和《现代控制理论》课程。具体说来，《自动控制原理》课程的“线性离散系统的分析与校正”是《计算机控制》课程的理论基础知识，这部分内容在应用型工科院校本科《自动控制原理》课程教学中一般讲授较少，所以，在《计算机控制》课程中应着重介绍，但现有《计算机控制》课程教材一般只介绍“Z变换及离散系统传递函数”部分，对于“离散系统频域分析”介绍不多，这会造成知识结构缺失，是应该避免的[1，2]。《过程控制》课程中的PID控制和克服线性系统纯滞后问题，在《计算机控制》课程中重新得到体现，其中“数字PID控制器”、“Smith预估控制”和“大林算法”等内容最为突出。从实现角度看，“数字PID控制器”和“Smith预估控制”属于数字控制器的“模拟化设计”，“大林算法”则属于数字控制器的“直接设计”。但有些教材过于强调《计算机控制》课程与《过程控制》课程的联系，将《过程控制》课程中的“串级控制”、“前馈-反馈控制”等“解耦控制”等数字控制技术也纳入《计算机控制》课程中，而限于篇幅，对这些内容的介绍与推导又不够详细，结果造成学生理解困难，不得要领[2]。其实，对于应用型工科院校能将“数字PID控制器”、“Smith预估控制”和“大林算法”掌握就足够了，“串级控制”等内容有需要者可以自学，不必专门介绍。《现代控制理论》课程的“状态空间模型与极点配置设计”内容在《计算机控制》课程中仍十分重要，离散系统的状态空间模型分析与观测器、控制器设计促进了现代控制理论的广泛应用，所以，虽然这部分内容较难理解，但不可或缺。很多现有教材对这部分内容略而不谈，这是很不应该的。随着电子信息技术的飞速发展，以往难以实现的先进控制方法陆续在实践中获得应用，一些较先进控制规律，如“二次型最优控制”、“自校正控制”、“预测控制”、“模糊控制”，甚至“网络控制”等数字设计也被写进了教材[3，4]。这部分内容几乎每一部分都曾是研究热点，掌握该内容对于拓展思路具有极大帮助，还可以为日后科研工作铺垫良好基础。但对于应用型工科院校学生而言，掌握这部分内容难度较大，且普遍兴趣不高，从就业前景看，这部分内容与之关系也较疏远。所以，这部分内容可以不必纳入课程，相关内容可以移到其他课程做详细介绍，如“模糊控制”可以归入《智能控制》课程、“网络控制”等可以归入《先进控制理论》（选修）课程或专题讲座。综合上述，结合应用型工科院校特点，《计算机控制》课程的理论内容应力求“细而精”，避免“全而疏”。理论推导应尽可能详细，即便是与前导课程中重复的内容，仍不要轻易省略，以免造成学生理解困难。（二）应用技术内容差异巨大。《计算机控制》课程的应用技术内容几乎涵盖了自动化专业所有应用领域。因应用涉及面太大，且技术更新较快，较早教材的应用技术部分已不适合现有教学[5]，但现有教材的应用技术内容差异却十分突出。具体表现可归纳为以下几点：1.《计算机控制》应用领域选择不够恰当做为一本容量有限的教材，不可能把所有《计算机控制》的应用领域内容都进行介绍，只能选择相对具有代表性的案例。而且选择的案例最好是前导课程没有介绍或较少介绍的内容。但有些教材过于偏重微型控制器的应用，将PLC或单片机控制系统做为主要应用对象介绍。其实，这部分内容已经在微机原理或单片机课程中做过详细介绍，没有必要再重复说明。2.应用技术案例设计介绍不够详细大部分教材选择“集散型控制系统”做为典型《计算机控制》应用案例，但对其《计算机控制》设计过程却说明的不够详细。这部分内容在《过程控制》课程中有所涉及，基于理论内容的延续性，在《计算机控制》课程中也应进行详细的介绍。“集散型控制系统”本身只会在大型或超大型工厂中应用，学生接触条件有限。如果教材仍然泛泛介绍系统架构，或以实例说明代替设计过程，会令学生既不能深入了解应用技术，也认识不到理论知识在实践中的具体应用，造成理论知识与应用知识的割裂。3.应用技术内容过于庞杂部分教材注意到了计算机控制新技术的应用与发展，将较为成熟的新技术，如组态软件、现场总线、实时网络控制等引进教材，这是值得肯定和学习的[1，3]。但这些内容有的与理论知识联系不大（如组态软件和现场总线），有的可以在其他课程中进行更为详细的介绍（如实时网络控制和现场总线），而且引入这些内容会让应用技术的内容过于庞杂。有些教材应用技术内容篇幅比例竟占全书80%，这种过于挤压理论知识的教材很不适合应用型工科院校学生学习。综合上述，结合应用型工科院校特点，《计算机控制》课程的应用技术内容仍应力求“细而精”，通过一二个具体应用案例，将应用理论知识的工程设计技术展示给学生，会让学生对《计算机控制》课程的学习有更生动的体会。（三）仿真分析介绍不足仿真分析是控制理论学习的重要组成部分，《计算机控制》也不例外。现有《计算机控制》课程的仿真分析一般都放在课程实验环节进行，由于《计算机控制》课程的理论知识相对理解较难，不及时跟进仿真分析，不利于知识点的掌握。但现有教材大多不涉及这部分内容，而是将这部分任务推给了配套的实验课程或实验指导书。即使有些教材辟出专门的仿真章节，仍不能满足对相关知识点的覆盖[3]。这种现象虽然和目前《计算机控制》课程实验平台单一、仿真实验简化有一定关系，但仍应该引起重视。

二、新的教学内容体系

针对上述问题，本文对《计算机控制》课程按“理论知识”、“应用技术知识”和“仿真分析”三部分安排教学内容，提出一种新的教学体系，具体如下：（一）理论知识部分。该部分仍以线性离散系统的Z变换分析、数字控制器的模拟化设计、数字控制器的离散化设计、线性离散系统的离散状态空间分析等4大部分为主体。其中，“离散系统的Z变换分析”主要包括“Z变换”、“离散系统脉冲传递函数”、“离散系统稳定性分析”、“离散系统频域特性分析”等，虽然内容较多，但因与《自动控制原理》课程重叠较大，可以安排较少学时；“数字控制器的模拟化设计”主要包括“数字PID”与“Smith预估控制”，该内容相对简单，应安排较少学时；“数字控制器的离散化设计”主要包括“最少拍控制器设计”和“大林算法”，涉及内容代表性强，难度较大，应安排较多学时；“线性离散系统的离散状态空间分析”包括“离散系统状态空间模型”、“系统能控性与能观性”、“极点配置观测器设计”和“状态不可测控制器设计”等，该内容难度最大，为了与《现代控制理论》课程衔接，所以，也应安排较多课时。教学过程中，教师对上述各部分的知识点均做详细推导，4部分的课时比例大致为2：1：4：3，这与现有教材篇幅比例有明显区别。（二）应用技术知识部分。该部分主要包括“计算机控制系统的设计”和“计算机控制系统的工程实现”2部分。其中，“计算机控制系统的设计”主要介绍计算机控制系统的硬件、软件设计基本原则与方法；“计算机控制系统的工程实现”主要通过一个具体计算机控制实例（如机器人控制或某一工业控制任务），详细介绍控制系统的计算机辅助设计过程，将理论知识在计算机控制任务设计中的具体应用展示出来，尤其要突出工程设计与理论计算之间的差异，并通过数字仿真，实现控制任务要求，从而掌握计算机辅助设计基本要领。该部分对于计算机控制实例的架构、硬件选型、软件搭建、通讯接口等只做简要介绍，重点突出离散控制系统的数字控制器设计与实现。应用技术知识部分是本课程教学内容与现有教材的明显区别之一。（三）仿真分析部分。该部分不设独立章节，而是在理论知识每一章的最后和应用知识部分的案例中安排仿真分析环节，采用MATLAB软件验证该章节主要理论知识点和设计结果。在理论知识点中融入仿真分析，学生可以边学习边仿真，加深知识点的理解，同时掌握仿真分析软件相关操作技巧。这些仿真分析技巧仍可以在配套实验课程中根据具体实验要求使用，这不但与实验课程不冲突，而且还有助于提高实验课程质量。理论知识仿真分析不占用教学课时，而是要求学生自学；应用知识部分的案例仿真则需要授课教学。仿真分析部分是本课程教学内容与现有教材的另一主要区别。以上3部分教学内容课时比例为6：2：2，理论知识仍是主体，这样做的目的并非减少课程的实践内容，而是突出重点，使学生在尽可能少的课时里掌握尽可能全面的知识点。

三、教学实践

在相关教学改革政策的推动下，2017-2019年我们按上述思想对《计算机控制》课程进行了改革。对本校自动化本科专业的《计算机控制》课程，将原计划的48学时调整为40学时（不含实验）。按上述教学体系授课，并通过实验课程、课程设计等实践课程强化，结果表明，学生普遍掌握了《计算机控制》基本理论和设计步骤，部分学生具备了基本的工程设计技能。另外，通过Likert量表问卷调查，统计结果表明，学生对该教学体系满意度达92%，比采用旧教学方法的满意率高出15个百分点，这表明本文的课程体系可以有效提高《计算机控制》课程教学质量。

四、结束语

《计算机控制》课程具有理论内容多、知识交叉性强、技术更新快的特点。本文通过对现有《计算机控制》课程教材内容的分析，提出了新的教学内容调整方案。本文提出的课程体系包含理论知识、应用技术知识和仿真分析等3个部分，其中，仿真分析融入理论知识和应用技术知识之中。通过教学验证，该课程教学内容体系可以有效提高《计算机控制》课程教学质量。该课程体系存在的不足之处有待在今后的教学中继续改进。

参考文献：

[1]丁建强，任晓，卢亚平.计算机控制技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]陈红卫.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2018.

[3]刘建昌.计算机控制系统（第2版）[M].北京：科学出版社，2016.

[4]何克忠，李伟.计算机控制系统[M].北京：清华大学出版社，1998.

[5]谢剑英.微型计算机控制技术[M].北京：国防工业出版社，1991.

作者:郭广颂 刘妍洁 何琳琳 单位:郑州航空工业管理学院