計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革探索

摘要：注重實(shí)踐教學(xué)的探究式自主學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，介紹了計算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)多元化、開放式教學(xué)模式，將MATLAB等仿真工具融入實(shí)踐教學(xué)中，強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計性實(shí)驗內(nèi)容和一定的工程創(chuàng)新和科研訓(xùn)練項目，拓展學(xué)生專業(yè)視野，為深化實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行有益的探索。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)控制技術(shù)；探究式自主學(xué)習(xí)；多元化；開放式教學(xué)模式；系統(tǒng)仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0079-02

計算機(jī)控制技術(shù)是自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)系統(tǒng)課。隨著計算機(jī)技術(shù)、控制理論技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及微電子技術(shù)的高速發(fā)展，給計算機(jī)控制技術(shù)帶來巨大的變革。它的理論性、應(yīng)用性、實(shí)踐性和綜合性得以完全的展示，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大型計算機(jī)控制系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。[1]計算機(jī)控制系統(tǒng)以離散控制理論為主線，以該理論在實(shí)現(xiàn)上的軟、硬件方式為形式，以離散控制與模擬對象的系統(tǒng)設(shè)計為內(nèi)容加強(qiáng)學(xué)生以計算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的系統(tǒng)訓(xùn)練。[2]專業(yè)知識學(xué)習(xí)和積累需要堅實(shí)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)驗室應(yīng)面對學(xué)生開放，在基礎(chǔ)理論驗證實(shí)驗基礎(chǔ)上多設(shè)置綜合設(shè)計性實(shí)驗內(nèi)容，為了縱深拓展學(xué)生專業(yè)知識，增加一定量工程項目訓(xùn)練和縱深科研拓展訓(xùn)練，從而提高學(xué)習(xí)動機(jī)和成就感，學(xué)習(xí)成效就會有很大的提高。隨計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該在前續(xù)課程了解到的PLC、單片機(jī)、FPGA、DSP基礎(chǔ)之上介紹工控機(jī)、現(xiàn)場總線、集散控制系統(tǒng)DCS、物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)工程實(shí)踐，使學(xué)生了解計算機(jī)應(yīng)用到控制領(lǐng)域形成的很多新的控制用計算機(jī)系統(tǒng)。

一、實(shí)踐教學(xué)具體改革方法

1.壓縮理論課時，同時增加實(shí)踐教學(xué)課時

學(xué)生的專業(yè)課學(xué)習(xí)過程總體分為兩個階段：一是知識傳授的階段，二是吸收和消化的過程，即知識內(nèi)化的過程。網(wǎng)絡(luò)的普及使得知識的傳授變得便捷和容易，理論課時壓縮，一些內(nèi)容通過學(xué)生查閱資料課堂討論形式高效完成，專業(yè)知識學(xué)習(xí)需要堅實(shí)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，應(yīng)增加實(shí)踐教學(xué)課時，實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)為學(xué)生提供開放式實(shí)驗場所、課堂上教師將基礎(chǔ)實(shí)驗及相關(guān)項目開發(fā)內(nèi)容引入，項目的開發(fā)完成在開放實(shí)驗室進(jìn)行，碰到疑難時有老師協(xié)助，這樣的互動教學(xué)會增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和成就感，學(xué)習(xí)成效就會有很大的提高。

2.設(shè)置綜合設(shè)計性實(shí)驗內(nèi)容

計算機(jī)控制系統(tǒng)作為自動化專業(yè)系統(tǒng)課，專業(yè)綜合意味強(qiáng)，應(yīng)加大綜合性設(shè)計性實(shí)驗，可以將數(shù)字濾波、人機(jī)接口新技術(shù)等內(nèi)容加入系統(tǒng)中。因此，在實(shí)驗室中配備上位機(jī)、USB數(shù)據(jù)采集卡（包括單片機(jī)、AD、DA、采樣保持器、通信接口）、觸摸屏等人機(jī)接口部件、運(yùn)放及阻容部件構(gòu)成的電網(wǎng)絡(luò)、典型的被控對象及傳感器、信號源、示波器等，其中上位機(jī)軟件在實(shí)現(xiàn)中可采用的一種方案是：大的軟件架構(gòu)可以采用VC++編寫，實(shí)驗環(huán)境界面、虛擬示波器、信號發(fā)生器用VC++實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用VB實(shí)現(xiàn)腳本編程器，腳本編程器提供了一個開放的編程環(huán)境，不同的算法可以在里面進(jìn)行編輯和調(diào)試。上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡中MCU下位機(jī)間采用串口通訊，首先定義好雙方通信協(xié)議，在上位機(jī)虛擬示波器、腳本編輯器模塊與數(shù)據(jù)采集卡間實(shí)現(xiàn)相應(yīng)互通命令。整個系統(tǒng)采用開放模式，可以將外增加的模塊嵌入到本系統(tǒng)中，比如固高公司的倒立擺系統(tǒng)，通過設(shè)置鏈接可將其嵌入到本系統(tǒng)中，提供給學(xué)生多樣化控制系統(tǒng)，包括無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（單閉環(huán)、雙閉環(huán)）、步進(jìn)電機(jī)圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)繪圖儀控制、溫度控制系統(tǒng)、水箱液位控制系統(tǒng)等。實(shí)驗前期準(zhǔn)備中根據(jù)系統(tǒng)的控制指標(biāo)和任務(wù)要求，學(xué)生通過設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，在這各類型控制系統(tǒng)中理解前端不同物理量的測量和變送、不同控制算法，對控制系統(tǒng)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)有一個清晰的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的積極性和探究式自主學(xué)習(xí)的興趣。

3.MATLAB仿真工具融入實(shí)踐教學(xué)

MATLAB是控制系統(tǒng)仿真研究中一個主流軟件，學(xué)生應(yīng)該熟悉掌握這個工具。MATLAB中simulink軟件包是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的，它支持連續(xù)的、離散的及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。Simulink提供的離散模塊有離散時間積分器、濾波器、離散狀態(tài)空間系統(tǒng)模型、離散傳遞函數(shù)模型、零階和一階采樣保持器等，此外還提供了大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算工具及豐富的用戶接口手段，用戶可以將不方便用方框圖表示的控制模型采用C語言和S函數(shù)形式進(jìn)行表述。實(shí)驗室上位機(jī)中安裝MATLAB仿真軟件，實(shí)驗室面對學(xué)生開放，在搭建實(shí)體控制系統(tǒng)之前，學(xué)生首先應(yīng)用MATLAB對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，獲得滿意的控制參數(shù)。通過MATLAB仿真學(xué)生理解了在工程實(shí)際中如何來驗證自己的算法，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，增進(jìn)了自主式探究問題的信心。

4.縱深拓展專業(yè)知識，增加一定量工程創(chuàng)新與科研訓(xùn)練

實(shí)驗室為學(xué)生提供工程創(chuàng)新訓(xùn)練和縱深拓展科研訓(xùn)練平臺。工程教育是本科教育的國際趨勢，工程訓(xùn)練創(chuàng)新平臺需要選取趣味性強(qiáng)、創(chuàng)新性實(shí)踐性多、知識面廣的系統(tǒng)平臺，比如無人駕駛智能車系統(tǒng)集傳感器技術(shù)、人工智能、軌跡規(guī)劃和自動控制技術(shù)于一體。系統(tǒng)在模型驗證階段可以用通電導(dǎo)線模擬道路，通過導(dǎo)線周圍磁場對小車進(jìn)行導(dǎo)航。系統(tǒng)由核心控制模塊、路徑識別模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊、車速檢測與反饋模塊、通訊模塊、電源模塊等組成。為了緊跟微處理器技術(shù)發(fā)展，核心控制模塊采用Freescale公司新近發(fā)布的ARM Cortex-M4 內(nèi)核微處理器MK60N512ZVLQ10芯片為核心控制器件，在IAR Embedded Workbench for ARM 集成環(huán)境中開發(fā)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)期望的小車自循跡快速行駛。系統(tǒng)的總體方案見圖1所示：

（1）硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動電路見圖2所示，系統(tǒng)采用PWM調(diào)速，用兩個半橋芯片BTS7970構(gòu)成H全橋?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行加減速驅(qū)動控制。

道路信息采集與信號調(diào)理電路見圖3所示，該模塊采用四個電感感知道路磁信息，電感從左到右等間距放置在車前端，依次編號為1、2、3、4。電感輸出的微弱電動勢信號通過濾波、放大后送入核心控制器MCU的AD口進(jìn)行采集。

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計。主程序流程見圖4所示。傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、路徑算法識別、舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制、電機(jī)加減速控制在1ms周期中斷中完成，PIT周期中斷程序流程見圖5所示。

無人駕駛智能車系統(tǒng)從工程訓(xùn)練的角度使學(xué)生對計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計流程有全方位的接觸，從系統(tǒng)功能任務(wù)的劃分——硬件系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試——軟件代碼編寫與調(diào)試——軟硬件聯(lián)調(diào)，清楚了一個項目的開發(fā)過程。在這過程中對自動控制專業(yè)主流軟件MATLAB控制系統(tǒng)仿真、protel DXP、C代碼軟件編寫與調(diào)試有更深入的理解和掌握。

工程訓(xùn)練之外，為了縱深拓展專業(yè)知識，實(shí)驗室可以增設(shè)雙旋翼系統(tǒng)或磁懸浮球系統(tǒng)。這兩個典型的多輸入多輸出系統(tǒng)，從控制的角度看它是一個具有非線性、多變量和強(qiáng)交叉耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，只有采取行之有效的方法才可以使其穩(wěn)定。它在控制過程中能有效反應(yīng)許多關(guān)鍵問題，如非線性、魯棒性、鎮(zhèn)定及解耦等，其控制方法和思路對處理一般的工業(yè)過程控制，也具有實(shí)際意義。其中雙旋翼系統(tǒng)是一個運(yùn)動方式類似于直升機(jī)的系統(tǒng)，選用對它的控制研究有助于對直升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。在這些典型的控制對象上可將多種算法得以驗證，如基于遺傳算法的PID參數(shù)整定、基于粒子群優(yōu)化算法的PID參數(shù)整定、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識、滑膜變結(jié)構(gòu)控制等。通過對這些復(fù)雜經(jīng)典的控制系統(tǒng)研究，學(xué)生感受到了控制理論的博大和深邃，學(xué)生從系統(tǒng)的控制任務(wù)和要求出發(fā)，進(jìn)行方案論證及算法的仿真，在典型直觀的控制系統(tǒng)中進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)和控制效果的評價，對學(xué)生后期展開科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

另外，增加現(xiàn)場總線、集散控制系統(tǒng)DCS、物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)工程實(shí)踐，使學(xué)生了解計算機(jī)應(yīng)用到控制領(lǐng)域形成的很多新的控制用計算機(jī)系統(tǒng)。

三、實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

實(shí)驗內(nèi)容包括基礎(chǔ)理論驗證、綜合設(shè)計性實(shí)驗和拓展專業(yè)知識的工程與科研訓(xùn)練項目，如表1所示。

了解控制領(lǐng)域形成很多新的控制用計算機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗室設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)智能電力系統(tǒng)，隨著能源利用方式變化，建設(shè)與用戶友好互動的智能電網(wǎng)，為用戶提供及時準(zhǔn)確的用電信息，實(shí)現(xiàn)用戶的自主選擇，是未來智能用電發(fā)展方向。該系統(tǒng)以高級計量架構(gòu)（AMI）為依托，將各種家用數(shù)字設(shè)備通過短程無線通信連接，為家庭提供安全、可靠、智能化綜合服務(wù)。系統(tǒng)硬件設(shè)備單元包括：智能電表、電力儀表、計量插座、照明控制、擴(kuò)展開發(fā)模塊、智能電力網(wǎng)關(guān)、安卓平板電腦、GAIA服務(wù)器；軟件單元包括：GAIA物聯(lián)網(wǎng)智能平臺管理軟件、安卓智能應(yīng)用軟件。整個系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸和應(yīng)用層合理設(shè)計，按功能模塊進(jìn)行區(qū)分規(guī)劃，讓學(xué)生了解新的控制用計算機(jī)系統(tǒng)。

四、結(jié)論

通過構(gòu)建多元化、開放式實(shí)踐教學(xué)模式，使得計算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容豐富飽滿，提供給學(xué)生好的工程實(shí)踐和科研縱深拓展平臺，促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）