以實踐為導(dǎo)向的“計算機控制技術(shù)”教學(xué)改革

黃江茵

（廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建廈門361024）

0 引言

在我國理工科院校中，對于諸如自動化這類與工程應(yīng)用有著密切聯(lián)系的專業(yè)來說，學(xué)生的工程實踐水平和產(chǎn)品設(shè)計能力十分重要，這直接決定著學(xué)生的就業(yè)和發(fā)展前途，也影響著社會企業(yè)對學(xué)校培養(yǎng)模式的認(rèn)同度［1］?，F(xiàn)有的專業(yè)課程教學(xué)模式大多以課本知識的講解為主，強調(diào)復(fù)雜的概念和公式推導(dǎo)，較少涉及工程應(yīng)用實例的實踐，這直接造成學(xué)生對各門專業(yè)課之間的聯(lián)系和整體知識脈絡(luò)結(jié)構(gòu)理解不清，對本專業(yè)知識的應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)產(chǎn)品不甚了解，知識和實踐應(yīng)用脫節(jié)，缺乏工程經(jīng)驗。

“計算機控制技術(shù)”課程是自動化專業(yè)的一門重要課程，其核心知識點“數(shù)字控制器的設(shè)計”在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用空間。大量的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)急需自動化專業(yè)學(xué)生運用專業(yè)知識設(shè)計控制器，改善控制性能，提高經(jīng)濟效益［2］。然而大多數(shù)學(xué)生缺乏工程實踐經(jīng)驗，專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用能力脫節(jié)，難以滿足企業(yè)需求。所以，有必要對該課程的教學(xué)模式進行改革，培養(yǎng)符合企業(yè)需求的應(yīng)用型人才。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方法弊端分析

“計算機控制技術(shù)”課程傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端主要包括下面幾個方面：

1）專業(yè)知識與工程應(yīng)用實踐脫鉤

“計算機控制技術(shù)”課程重點內(nèi)容，如數(shù)字PID控制器的設(shè)計和改進、最少拍數(shù)字控制器的設(shè)計、先進控制算法理論等在實際工業(yè)系統(tǒng)的控制中具有廣泛的應(yīng)用空間［3～4］。然而學(xué)生由于缺乏工程應(yīng)用實踐經(jīng)驗，無自動控制系統(tǒng)施行過程的概念，對工業(yè)控制原理等理解不易透徹，難以充分了解所學(xué)知識的應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣索然，專業(yè)知識限于紙上談兵，與工程應(yīng)用實踐脫鉤。

2）學(xué)生面臨就業(yè)壓力，工程經(jīng)驗欠缺

我校“計算機控制技術(shù)”課程在大四上學(xué)期開設(shè)，學(xué)生正面臨將要到來的就業(yè)壓力。由于在課程知識學(xué)習(xí)的同時積累的工程經(jīng)驗太少，不僅在求職競爭中不具優(yōu)勢，也難以提前了解相關(guān)行業(yè)的工作性質(zhì)和內(nèi)容，把握就業(yè)方向。

3）自主學(xué)習(xí)和分析溝通能力較弱

學(xué)生由于長期處于被動吸收知識的授課模式下，自主發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力較弱。此外，由于缺乏充分表達的鍛煉機會，大多數(shù)學(xué)生的溝通能力也較為欠缺，這也將直接影響就業(yè)面試時對自身優(yōu)勢的展示。

2 以實踐為導(dǎo)向的教學(xué)模式探索

針對以上對“計算機控制機技術(shù)”課程傳統(tǒng)教學(xué)方法弊端的分析，結(jié)合自動化專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)、專業(yè)要求和實驗室條件，本文探索出一套以工程實踐為導(dǎo)向的，解決現(xiàn)存學(xué)生求知意識薄弱、工程經(jīng)驗欠缺、溝通和總結(jié)分析能力較差等教學(xué)問題的改革方案。具體改革內(nèi)容包括以下幾個方面：

1）科學(xué)分析學(xué)生特征及企業(yè)需求，探尋合適改革方案

在本課程正式授課開始前，通過調(diào)查問卷形式，結(jié)合對學(xué)生“自動控制原理”、“控制系統(tǒng)數(shù)字仿真”等與控制系統(tǒng)分析設(shè)計相關(guān)的核心課程成績分析，了解學(xué)生的系統(tǒng)自動控制體系知識掌握情況以及對課程改革思路的建議。還通過與企業(yè)招聘人員、應(yīng)屆畢業(yè)生交流了解就業(yè)單位對學(xué)生工程實踐能力的要求和重點考察內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)，以產(chǎn)學(xué)研融合、提高學(xué)生工程實踐能力為主導(dǎo)思想，調(diào)整“計算機控制技術(shù)”課程的知識框架結(jié)構(gòu)。刪除原有教學(xué)大綱中與其他課程重復(fù)的“計算機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計”以及“連續(xù)系統(tǒng)控制器設(shè)計”等內(nèi)容，將課程重點調(diào)整到“數(shù)字控制器的設(shè)計”上，并增加“模糊PID控制器”、“模型預(yù)測控制器”等常用于工業(yè)系統(tǒng)的現(xiàn)代先進控制器原理和應(yīng)用介紹章節(jié)，從而加強學(xué)生對企業(yè)控制器應(yīng)用需求的了解。

2）改變教師角色，以成果為目標(biāo)激發(fā)學(xué)生自主研究熱情

弱化傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師的主講地位，以小型工業(yè)控制產(chǎn)品的開發(fā)和模擬應(yīng)用為目標(biāo)，使學(xué)生成為新知識學(xué)習(xí)和項目開發(fā)中的主角。首先在學(xué)期開始前，由教師提供本課程知識結(jié)構(gòu)脈絡(luò)圖，引導(dǎo)學(xué)生在項目開始前，利用假期時間進行基礎(chǔ)知識的快速學(xué)習(xí)和相關(guān)文獻資料的查閱、預(yù)習(xí)工作。開學(xué)第一節(jié)課即檢查自學(xué)效果，進行工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、常用控制器原理等內(nèi)容的筆試，并提交文獻綜述報告，以上內(nèi)容一并計入期末考核成績。在正式授課周期的1～2周，對自動化專業(yè)核心課程所學(xué)知識進行梳理，明確實際應(yīng)用領(lǐng)域；通過詳細(xì)介紹工程實例，使學(xué)生了解工業(yè)控制器設(shè)計的實施過程，引入復(fù)雜工業(yè)非線性系統(tǒng)的控制難點。要求學(xué)生組成團隊，在學(xué)期結(jié)束前各解決現(xiàn)代工業(yè)非線性系統(tǒng)自動控制中的1～2個問題。授課過程中，由各小組定期進行階段性成果匯報和技術(shù)討論，教師則扮演“指導(dǎo)者”和“提問者”角色，對遇到的困難進行指導(dǎo)，把握項目進度。

3）開發(fā)自動控制產(chǎn)品，促進產(chǎn)學(xué)研合作

學(xué)期開始時，鼓勵學(xué)生通過走訪企業(yè)調(diào)研或者查閱文獻資料的方式，了解企業(yè)急需的自動控制需求并提出設(shè)計構(gòu)想。在學(xué)期中以滿足企業(yè)的自動控制需求為目標(biāo)，編程實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，通過與企業(yè)人員交流完善產(chǎn)品功能或者解決教師提出的工業(yè)控制實際需求。學(xué)期末舉行成品推介會，由項目組長對產(chǎn)品功能進行介紹和展示，邀請企業(yè)人員蒞臨指導(dǎo)，在鍛煉學(xué)生自我展示能力的同時，也為產(chǎn)品和企業(yè)的對接提供溝通交流平臺。在實踐過程中實現(xiàn)專業(yè)知識的產(chǎn)品化、產(chǎn)學(xué)研合作與相互促進。

4）跟蹤學(xué)習(xí)成果，對比分析改革效果

結(jié)合工程應(yīng)用中控制器設(shè)計實踐，針對本課程的重要知識點，如數(shù)字PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定、最少拍數(shù)字控制器設(shè)計與實踐等，對學(xué)生進行不定期測試，跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。項目進度由小組成員輪流匯報，保證每位成員都能在項目中得到分析解決問題的能力和總結(jié)溝通能力的鍛煉，并積累一定工程經(jīng)驗。

以個別溝通或調(diào)查問卷形式了解學(xué)生對課程教學(xué)改革模式的看法和意見，綜合對比改革前后學(xué)生的專業(yè)知識理解程度、工業(yè)系統(tǒng)控制器設(shè)計和實施流程的熟悉程度、程序設(shè)計調(diào)試能力和知識獲取、溝通交流能力，為下階段進一步完善改革方案，提高教學(xué)效果奠定基礎(chǔ)。

3 企業(yè)實踐內(nèi)容與成效

3．1 企業(yè)實踐內(nèi)容

本項改革中，企業(yè)實踐自始至終都貫穿于課程的教學(xué)過程。在課程一開始，帶學(xué)生到校企實習(xí)基地—廈門某熱電公司參觀其循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)，該鍋爐系統(tǒng)為典型的多變量、非線性工業(yè)系統(tǒng)，采用簡單PID控制和人工控制相結(jié)合的方式保證正常生產(chǎn)，但該系統(tǒng)存在著控制滯后、精度不足等問題。要求學(xué)生在一學(xué)期內(nèi)，首先分析該系統(tǒng)運行特性，通過建模手段辨識系統(tǒng)多變量模型，隨后結(jié)合計算機控制技術(shù)課程中“工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理”、“多變量系統(tǒng)辨識”、“數(shù)字PID控制器設(shè)計”、“最少拍控制器設(shè)計”等知識點，為該系統(tǒng)設(shè)計一套實用高效精度良好的數(shù)字控制器，并驗證其控制效果。學(xué)生完成的企業(yè)實踐活動包含如下幾個方面：

1）系統(tǒng)運行特性分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)“自動控制原理”等基礎(chǔ)理論知識時，大多只針對已知傳遞函數(shù)的單輸入單輸出線性系統(tǒng)進行分析，而大多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)是多變量且非線性的，這導(dǎo)致學(xué)生面對實際生產(chǎn)問題時常無從下手。為此要求學(xué)生在2周內(nèi)，通過與企業(yè)現(xiàn)場工程師交流，充分了解系統(tǒng)運行原理和基本特性，選擇最重要的若干輸入變量和輸出變量進行后續(xù)模型辨識和控制，以此提高學(xué)生分析實際工業(yè)系統(tǒng)的能力以及與工程師的溝通交流能力。最終在教師和工程師的確認(rèn)下，選定如表1所示的4個輸入和3個輸出變量。

表1 循環(huán)流化床鍋爐輸入輸出變量表

2）系統(tǒng)模型辨識

“計算機控制機技術(shù)”課程中著重要求掌握的數(shù)字控制器包括“最少拍控制器”和“數(shù)字PID控制器”，在設(shè)計過程均需已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

在學(xué)生開展設(shè)計的過程中，要求學(xué)生分成3組；在4周內(nèi)，先學(xué)習(xí)本課程的“最小二乘”辨識算法，編寫Matlab程序?qū)崿F(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐的多變量模型辨識，并與實際模型特性從符合度和輸出誤差比對兩個方面檢驗和分析模型質(zhì)量，利用企業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫作為辨識數(shù)據(jù)。辨識前，結(jié)合本課程的“工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理”知識，對歷史數(shù)據(jù)進行校對和擾動濾波、非正常數(shù)據(jù)的剔除工作。通過與企業(yè)工程師交流，各組學(xué)生均能辨識出4*3＝12個模型的階躍響應(yīng)趨勢是否符合實際系統(tǒng)的理論分析結(jié)果；其中，最好的一組12個模型的匹配率都在75%以上，以該組模型為基礎(chǔ)進行控制器設(shè)計。

3）多種控制器設(shè)計

數(shù)字控制器的設(shè)計，主要包括連續(xù)化和數(shù)字化設(shè)計方法，其中，數(shù)字PID控制器和最少拍控制器的設(shè)計是“計算機控制機技術(shù)”課程中的重要內(nèi)容。要求學(xué)生先用1周時間，在教師的指導(dǎo)下快速學(xué)習(xí)上述知識點；再用4周時間，分組分工合作，基于循環(huán)流化床鍋爐的辨識模型，分別設(shè)計數(shù)字PID、最少拍有紋波以及最少拍無紋波控制器，編寫Matlab代碼實現(xiàn)，并比較仿真控制效果。通過此訓(xùn)練，學(xué)生可以對控制器的兩種設(shè)計方法和步驟有了更清晰深刻的認(rèn)識，同時，提高編程能力，鍛煉處理工業(yè)系統(tǒng)控制實際問題的能力，如PID參數(shù)工程整定、控制器抗干擾處理、控制器輸出限位處理等。

4）成果展示

進企業(yè)進行控制器的局部短暫投運，各組分別投運各自設(shè)計的控制器，對比不同控制器作用下，三個主要輸出：爐膛溫度、爐膛壓力和出口氧氣含量的控制效果。為保證不影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，各組的投運時間均選在上午10：00～11：00以及下午4：00～5：00時間段內(nèi)，因為在上述兩個時間段內(nèi)，鍋爐的運行狀態(tài)最為平穩(wěn)，擾動較小，各主要被控量都處于可控范圍之內(nèi)。同時設(shè)置控制器切換機制，當(dāng)控制效果出現(xiàn)較大偏差時，立刻切回原有的人工控制模式，確保安全生產(chǎn)。局部控制器投運效果顯示，數(shù)字PID控制器、最少拍有紋波控制器和最少拍無紋波控制器均達到了較好的控制效果，三個輸出量均能夠控制在相應(yīng)設(shè)定區(qū)間內(nèi)。邀請企業(yè)工程師、技術(shù)人員和操作工參與這場成果展示會，各組學(xué)生介紹控制器設(shè)計過程，展示控制效果，回答企業(yè)人員的提問，最后，分析不同控制器的優(yōu)缺點，提出下一步改進設(shè)想。

3．2 改革成效評價

結(jié)束企業(yè)的控制器設(shè)計實踐活動之后，進行問卷調(diào)查和課程考試。針對本文第一節(jié)提出的傳統(tǒng)教學(xué)方法弊端，對改革前后學(xué)生對“計算機控制技術(shù)”課程核心知識點的掌握情況和綜合能力進行比較，得到以下幾點課程改革成效：

1）建立清晰直觀的控制系統(tǒng)概念

通過對實際工業(yè)系統(tǒng)的參觀，深入了解系統(tǒng)的運行機理，通過分析實際系統(tǒng)運行特性，使學(xué)生進一步鞏固了控制系統(tǒng)中設(shè)定值、輸入變量、輸出變量和擾動變量概念，不再出現(xiàn)混淆設(shè)定值與輸入量的情況；熟悉工程上閉環(huán)控制回路的實現(xiàn)方式，對“計算機控制技術(shù)”課程中“控制系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成”、“工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸”等知識點有了更加清晰直觀的認(rèn)識。

2）培養(yǎng)解決工程問題的實踐能力

教改實施中，要求學(xué)生完成的系統(tǒng)辨識和控制器設(shè)計針對的是實際非線性工業(yè)系統(tǒng)，學(xué)生在解決實際工程問題中遇到了許多課本中未提到的困難，包括工業(yè)設(shè)備故障的排查、數(shù)據(jù)傳輸信號中斷、不可測擾動對辨識和控制效果的影響、仿真環(huán)境下與實際現(xiàn)場中的系統(tǒng)控制效果偏差等，學(xué)生在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題過程中極大地培養(yǎng)了解決工程問題的實踐能力，積累了一定工程經(jīng)驗，為未來工作奠定了較好的基礎(chǔ)。

3）提高專業(yè)知識的分析歸納能力

由于教學(xué)過程中弱化了教師的主講作用，而突出由學(xué)生以開發(fā)適合循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)的辨識和控制應(yīng)用軟件為目標(biāo)進行的自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生不再熱衷于背誦和套用公式，而是主動提煉所需知識點，并通過查找課外參考文獻，解決實際工程問題。從課程考試的結(jié)果看，學(xué)生在“系統(tǒng)辨識”、“數(shù)字PID控制器設(shè)計”、“最少拍控制器設(shè)計”這幾章節(jié)知識點的得分率，比未進行教改的班級提高了35%以上。

4）提高自我展示和溝通交流能力

學(xué)生在本次以實踐為導(dǎo)向的教學(xué)改革中，獲得了在傳統(tǒng)教學(xué)模式下無法獲得的大量與企業(yè)工程人員溝通交流的機會。前期與工程人員交流循環(huán)流化床系統(tǒng)的運行原理和現(xiàn)有控制情況，中期與技術(shù)人員交流驗證辨識模型準(zhǔn)確性和控制方案可行性，到后期成果展示時向技術(shù)人員介紹控制算法改進思路和控制效果，學(xué)生的口頭表達能力、PPT制作和展示能力、現(xiàn)場提問和總結(jié)能力都得到了顯著提升。最直觀的改變是在畢業(yè)班用人單位面試中，經(jīng)歷教改的同學(xué)能夠以足夠的自信，流利地向面試官介紹本次企業(yè)實踐經(jīng)歷，獲得用人單位的一致好評。

4 結(jié)語

本文針對自動化系核心課程“計算機控制技術(shù)”，探索了以工程實踐為導(dǎo)向的新型教學(xué)方法。該方法以滿足企業(yè)的生產(chǎn)線自動控制需求為最終目標(biāo)，重點引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為企業(yè)實用控制產(chǎn)品，在項目實施過程中鞏固自動化專業(yè)知識，融會貫通，積累工程經(jīng)驗。讓學(xué)生在課程開始之初進實習(xí)基地參觀工業(yè)循環(huán)流化床系統(tǒng)，帶著提高被控對象控制品質(zhì)的應(yīng)用目標(biāo)，學(xué)習(xí)課程重要知識點，激發(fā)學(xué)生的求知興趣，促使其課后進行自主探索學(xué)習(xí)，培養(yǎng)獨立研究能力；其次通過對被控對象的運行特性分析，以及基于實際工業(yè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識和控制器設(shè)計，在不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題中提升工程實踐能力，提高技術(shù)應(yīng)用的熟練度，提高小組成員團結(jié)協(xié)作能力；最后通過定期進度匯報交流和項目成果展示會，鍛煉學(xué)生的溝通交流、總結(jié)分析能力，也為成果與企業(yè)對接提供機會。綜上所述，本文介紹的對傳統(tǒng)“計算機控制技術(shù)”課程教學(xué)模式所做的改革，

不僅能夠多方面提高學(xué)生綜合素質(zhì)，促進產(chǎn)學(xué)研合作實踐，也為其他專業(yè)核心課程提供一條全新的改革探索模式。