機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”課程改革探索

李啟光?姚小敏?朱春梅?祁志生?王會香

摘要：針對機電專業(yè)在“計算機控制技術(shù)”課程教學中的一些問題，以加強機電專業(yè)運用系統(tǒng)與課程銜接為手段，從教學體系規(guī)劃、教學內(nèi)容遴選、教學實踐環(huán)境規(guī)劃建設(shè)等方面進行調(diào)整，力圖使“計算機控制技術(shù)”課程面向機電專業(yè)，培養(yǎng)出滿足專業(yè)需求和具有實踐能力的學生。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；計算機控制技術(shù)；機電專業(yè)

作者簡介：李啟光（1970-），男，江蘇贛榆人，北京信息科技大學機電工程學院，副教授。（北京 100192）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0105-02

計算機控制系統(tǒng)是以計算機為核心實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，計算機控制技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用?！坝嬎銠C控制技術(shù)”融合了計算機技術(shù)、自動控制理論和計算機通信技術(shù)，是新發(fā)展起來的理論性和實踐性很強的一門交叉學科。它實際上包含著兩部分內(nèi)容：一是計算機控制理論基礎(chǔ)，主要涉及離散控制基礎(chǔ)理論；二是實現(xiàn)技術(shù)，主要包括通道接口技術(shù)、現(xiàn)場總線、人機界面等系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)。課程涉及面很廣、知識集成度高，是高等學校自動化、電氣工程和機械電子工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)主干課程。[1-3]

一、“計算機控制技術(shù)”課程現(xiàn)狀

“計算機控制技術(shù)”是一門跨學科專業(yè)課程，涵蓋內(nèi)容豐富，但由于各專業(yè)的要求不同，課程針對不同專業(yè)的側(cè)重內(nèi)容應(yīng)有區(qū)別，這樣才能達到各專業(yè)的培養(yǎng)目的。

目前多數(shù)高校選用課程教材內(nèi)容主要是數(shù)字濾波、數(shù)字 PID、最少拍無差系統(tǒng)、Simth算法和達林算法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容，這部分是建立在一整套完整控制理論基礎(chǔ)上的。[4]此外還包括接口技術(shù)、現(xiàn)場總線、人機界面等偏重于應(yīng)用的內(nèi)容。自動控制等專業(yè)培養(yǎng)目標側(cè)重于設(shè)計計算機實現(xiàn)控制算法、編制適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件及接口設(shè)計、控制軟件，選用此類編排內(nèi)容的教材比較適用。而機械電子專業(yè)方向，機電專業(yè)以裝備及其控制系統(tǒng)為主要研究對象，課程以了解與掌握計算機控制系統(tǒng)在裝備控制中應(yīng)用為其主要目的，選用此類教材不能體現(xiàn)專業(yè)側(cè)重點。同時機電專業(yè)有自己的專業(yè)設(shè)置要求以及本專業(yè)特有的先修基礎(chǔ)課程，與自控類專業(yè)有極大的不同，因此如何根據(jù)機電專業(yè)自身的專業(yè)特點確定理論教學內(nèi)容及其深度，調(diào)整好計算機控制系統(tǒng)的理論及應(yīng)用技術(shù)的關(guān)系，是目前機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”課程教學要解決的首要問題。

因此，在教學實踐過程中，應(yīng)以控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，理論教學的內(nèi)容和深度以應(yīng)用內(nèi)容的需求為標尺，使理論教學內(nèi)容能夠支撐且覆蓋該課程涉及的主要技術(shù)，使理論教學的深度能與機電專業(yè)學生的實際水平及今后的就業(yè)需求相符合，同時還要與當前的技術(shù)發(fā)展水平和趨勢相適應(yīng)，具有一定的前瞻性。

二、機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”教學內(nèi)容改革

1.機電特色的控制類課程教學體系調(diào)整

面向機電專業(yè)的“計算機控制技術(shù)”課程應(yīng)從裝備控制應(yīng)用角度出發(fā)，密切結(jié)合裝備自動化需求組織教學內(nèi)容。

根據(jù)以上原則，在教學中提出將運動控制卡和工業(yè)PLC作為計算機控制技術(shù)理論與運用結(jié)合的載體。一方面在課程開始之前，需要保障學生已掌握先修部分專業(yè)應(yīng)用技術(shù)知識，尤其考慮到工業(yè)PLC、運動控制器是機電專業(yè)常用、最典型控制應(yīng)用系統(tǒng)，課程內(nèi)容可與此結(jié)合，將工業(yè)PLC、運動控制器的應(yīng)用作為教學案例使用。先修課程包括“電工電子學”、“機械控制工程”、“單片機原理”、“數(shù)控技術(shù)”、“PLC 原理與應(yīng)用”等專業(yè)課程，其中鑒于“數(shù)控技術(shù)”課程目前涉及均為封閉式數(shù)控系統(tǒng)，因此在課堂上需要補充介紹機電控制中使用面廣、開放式的運動控制器（卡）。

另一方面，課程以先修課程中所涉及的、與計算機相關(guān)的數(shù)字處理與控制技術(shù)為主要授課內(nèi)容，重點介紹數(shù)字化后信號處理、數(shù)字控制理論及其實現(xiàn)，并通過各個理論教學環(huán)節(jié)與先修機電控制運用技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)硬件和軟件結(jié)合、控制原理和典型應(yīng)用控制器結(jié)合，貫徹理論聯(lián)系實際的方針，并將先修課程有關(guān)方面的知識有機集成在一個完整的機電控制系統(tǒng)內(nèi)，使學生從整體上系統(tǒng)地掌握數(shù)字控制器的機電應(yīng)用技術(shù)。

“計算機控制技術(shù)”強調(diào)理論、技術(shù)與實際應(yīng)用相結(jié)合，理論與實踐并重，綜合性較強、強調(diào)應(yīng)用，因此在課堂教學與課程實驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加機電綜合實踐環(huán)節(jié)，并鼓勵學生參加其他開放實驗以及科研項目，綜合應(yīng)用所學知識，鞏固教學效果。項目選題從工程應(yīng)用角度出發(fā)密切結(jié)合裝備自動化實踐。

2.機電專業(yè)特色的課程內(nèi)容設(shè)定

在原有教學內(nèi)容體系基礎(chǔ)上，針對機電專業(yè)控制理論基礎(chǔ)薄弱、專業(yè)需求有別的狀況，對教學內(nèi)容作一系列的重新規(guī)劃及調(diào)整。強調(diào)教學內(nèi)容緊密聯(lián)系機電傳動控制實際需求，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)、充實機電控制的實例，做到理論和實踐運用的對應(yīng)與相互關(guān)聯(lián)。

對于機械電子專業(yè)，擬定的主要教學內(nèi)容大致如下：

（1）輸入/輸出通道接口技術(shù)。這部分內(nèi)容在“電工電子學”和“單片機原理”課程軟硬件基礎(chǔ)知識上，以單片機、PLC、運動控制卡上典型常用的接口硬件，如A/D、D/A、通訊口、觸摸屏、開關(guān)量輸入輸出接口等為例子介紹工作原理、使用方法和技術(shù)細節(jié)問題。

通過與實際應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)認知，學生對輸入/輸出通道接口設(shè)計及技術(shù)參數(shù)選取建立感性了解，使用中就可以通過查閱樣本資料掌握其他類似通用硬件的使用。

（2）數(shù)字控制器的設(shè)計。在已講授控制理論基礎(chǔ)知識上，這部分主要講解數(shù)字 PID 算法及參數(shù)整定、最少拍控制算法、模糊控制等，重點是機電系統(tǒng)過程控制和運動控制中廣泛應(yīng)用的PID控制算法。充分利用PLC系統(tǒng)提供的PID控制指令和運動控制卡軸控開放式接口和整定功能學習了解不同算法性能參數(shù)比對。

（3）總線技術(shù)與人際界面。在學習通訊網(wǎng)絡(luò)基本知識基礎(chǔ)上，以所學PLC、運動控制卡型號兼容的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和HMI為練習和運用對象，掌握運用總線技術(shù)實現(xiàn)控制器以及HMI的集成技術(shù)。

（4）計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計。主要學習如何從設(shè)計需求搭建機電控制系統(tǒng)，包括器件選型、控制器設(shè)計、接口制作到程序設(shè)計。設(shè)計案例選擇機電系統(tǒng)中最典型的閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，從裝置的傳動精度和運動快速性需求出發(fā)，學習設(shè)計選用運動控制器、反饋、驅(qū)動系統(tǒng)以及控制算法。此外，抗干擾技術(shù)是計算機控制系統(tǒng)必須要注意的一個重要事項，抗干擾技術(shù)包括光電隔離、濾波、屏蔽、接地、看門狗等方面，它決定了機電系統(tǒng)的可靠性。

三、機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”實踐教學內(nèi)容改革

機電專業(yè)選修“計算機控制技術(shù)”立足于控制系統(tǒng)的機電工程運用，完成課程后學生應(yīng)當具有機電系統(tǒng)的綜合實踐能力。根據(jù)整合的教學內(nèi)容，以運動控制卡和工業(yè)PLC為運用載體，規(guī)劃開發(fā)了課內(nèi)實驗。

針對機電傳動控制的實際運用，規(guī)劃了基于總線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)、基于組態(tài)軟件的溫度監(jiān)控系統(tǒng)兩個課內(nèi)實驗，在這兩個實驗中，實驗內(nèi)容涵蓋教學的基本內(nèi)容，包括控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)總線組態(tài)、接口技術(shù)、PID整定以及HMI二次開發(fā)運用，圖1為實驗中PLC控制拓撲圖。

考慮到課時限制，大部分拓展運用內(nèi)容均規(guī)劃在綜合實驗、開放實驗內(nèi)。根據(jù)學生基礎(chǔ)和興趣不同，已開發(fā)開環(huán)運動控制系統(tǒng)（步進）、倉儲管理系統(tǒng)、太陽能跟蹤控制系統(tǒng)等實驗項目。同時調(diào)整機電綜合實踐環(huán)節(jié)，提高運動控制實踐比重，規(guī)劃建設(shè)了兩軸輪廓運動與張力控制綜合實驗平臺（見圖2），實驗與設(shè)計任務(wù)包括伺服系統(tǒng)閉環(huán)PID整定、控制卡軸控檢測反饋、單軸運動位置與速度閉環(huán)控制、兩軸輪廓運動控制等，學有余力的同學，還可以進行力閉環(huán)控制算法設(shè)計。

規(guī)劃強調(diào)實踐教學內(nèi)容與工程實際的緊密結(jié)合，在硬件平臺建設(shè)和題目設(shè)計規(guī)劃方面與機電行業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，例如針對機電系統(tǒng)中典型運動與力控制需求而規(guī)劃的實訓平臺。這樣既讓學生與社會無縫對接，又可以提高學習的積極性，有利于學生對該專業(yè)的理解和能力的培養(yǎng)。同時實驗規(guī)劃也注重綜合性和系統(tǒng)性要求，實驗內(nèi)容設(shè)計成模塊式體系結(jié)構(gòu)，既可以單獨訓練也可體現(xiàn)各專業(yè)內(nèi)容存在的關(guān)聯(lián)性。使相互耦合的課程整合集成以解決原有各門課程自成體系，對象單一與知識零碎割裂、不能有機聯(lián)系和綜合應(yīng)用的弊端。圍繞綜合實訓平臺，各模塊最終體現(xiàn)在一個完整的機電系統(tǒng)設(shè)計過程中。

實踐教學內(nèi)容改革也力圖體現(xiàn)出漸進性、階段性和層次性，尊重學生個性差異。例如基于總線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)生產(chǎn)線PLC系統(tǒng)實驗訓練可選擇不同規(guī)模和難度的實驗項目，如從兩個PLC間基本通訊到一主多從網(wǎng)絡(luò)化；從系統(tǒng)內(nèi)置PPI網(wǎng)絡(luò)到PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)?？刂茖嶒烅椖繌暮唵芜壿嫛㈤_環(huán)運動控制到復雜的溫度、運動及力閉環(huán)控制。

四、總結(jié)

通過北京信息科技大學的教學實踐表明，通過把典型的機電運用案例融入教學內(nèi)容后，學生綜合運用知識的能力有所增強，視野得到拓展，機電控制系統(tǒng)的整體觀念得到明顯改善。通過合理規(guī)劃面向機電需求的綜合實驗平臺，把各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致，使學生更清晰感到課程的實際運用，學習積極性得到了進一步的發(fā)揮。

經(jīng)過教學內(nèi)容和實驗內(nèi)容改革與建設(shè)，“計算機控制技術(shù)”課程教學取得了良好的效果，做到了理論、技術(shù)與實際應(yīng)用的有機結(jié)合，突出了機電專業(yè)方向的特色。

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（責任編輯：宋秀麗）