《計算機控制》課程教學(xué)內(nèi)容探討

郭廣頌 劉妍潔 何琳琳

摘? 要：文章分析了現(xiàn)有《計算機控制》課程教材內(nèi)容存在的主要問題。結(jié)合應(yīng)用型工科院校本科教學(xué)特點，提出一種融入仿真分析的理論知識和應(yīng)用理論知識設(shè)計工程任務(wù)的教學(xué)思想，通過重新組織《計算機控制》課程內(nèi)容，建立了一種包含理論知識、應(yīng)用技術(shù)知識和仿真分析的新的《計算機控制》課程教學(xué)內(nèi)容體系。

關(guān)鍵詞：《計算機控制》;課程內(nèi)容;課程體系

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）17-0093-03

Abstract： This paper analyzes the main problems of "Computer Control" course. Combining with the characteristics of applied engineering colleges， a new teaching idea was put forward which theoretical knowledge integrate to simulation analysis and design engineering tasks application of theoretical knowledge. A new "Computer Control" course system was established which containing theoretical knowledge， application of technological knowledge and simulation analysis through reorganizing the teaching content of "Computer Control" course.

Keywords： "Computer Control"; course content; course system

《計算機控制》技術(shù)是一門以控制理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字控制技術(shù)為核心，綜合電子技術(shù)、微型控制器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的精密化、生產(chǎn)設(shè)備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機電控制系統(tǒng)的最佳化的專門學(xué)科。目前《計算機控制》課程作為自動化專業(yè)的專業(yè)課程在工科院校也已普遍開設(shè)，但由于該課程理論體系龐大、應(yīng)用技術(shù)寬泛，實際的《計算機控制》課程包含的教學(xué)內(nèi)容并不統(tǒng)一。針對這一情況，本文通過分析現(xiàn)有教材內(nèi)容的不足，提出適合應(yīng)用型工科院校本科教學(xué)的《計算機控制》課程體系。

一、現(xiàn)有教材內(nèi)容分析

目前國內(nèi)《計算機控制》課程教材數(shù)量很多，從“讀秀”網(wǎng)檢索書名《計算機控制》，能搜索到近千本相關(guān)圖書。這些教材依名稱大致可分為《計算機控制技術(shù)》、《計算機控制系統(tǒng)》、《微型計算機控制技術(shù)》等3類。縱觀上世紀90年代以來出版的代表性教材和規(guī)劃教材，《計算機控制》教材內(nèi)容可明顯分為理論知識和應(yīng)用技術(shù)2個部分。其中，理論知識部分內(nèi)容相對統(tǒng)一，即包含線性離散系統(tǒng)的Z變換分析、數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計、數(shù)字控制器的離散化設(shè)計、線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析等4大部分，但各教材對于這些內(nèi)容的取舍不盡相同，且各部分篇目名稱也不盡一致。應(yīng)用技術(shù)部分內(nèi)容雖然一般歸在“計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”篇目下介紹，但內(nèi)容卻很不統(tǒng)一。上述問題具體可歸納為以下幾點：

（一）理論知識內(nèi)容取舍不夠合理

《計算機控制》課程的理論內(nèi)容基本承接自《自動控制原理》、《過程控制》和《現(xiàn)代控制理論》課程。具體說來，《自動控制原理》課程的“線性離散系統(tǒng)的分析與校正”是《計算機控制》課程的理論基礎(chǔ)知識，這部分內(nèi)容在應(yīng)用型工科院校本科《自動控制原理》課程教學(xué)中一般講授較少，所以，在《計算機控制》課程中應(yīng)著重介紹，但現(xiàn)有《計算機控制》課程教材一般只介紹“Z變換及離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)”部分，對于“離散系統(tǒng)頻域分析”介紹不多，這會造成知識結(jié)構(gòu)缺失，是應(yīng)該避免的[1，2]?！哆^程控制》課程中的PID控制和克服線性系統(tǒng)純滯后問題，在《計算機控制》課程中重新得到體現(xiàn)，其中“數(shù)字PID控制器”、“Smith預(yù)估控制”和“大林算法”等內(nèi)容最為突出。從實現(xiàn)角度看，“數(shù)字PID控制器”和“Smith預(yù)估控制”屬于數(shù)字控制器的“模擬化設(shè)計”，“大林算法”則屬于數(shù)字控制器的“直接設(shè)計”。但有些教材過于強調(diào)《計算機控制》課程與《過程控制》課程的聯(lián)系，將《過程控制》課程中的“串級控制”、“前饋-反饋控制”等“解耦控制”等數(shù)字控制技術(shù)也納入《計算機控制》課程中，而限于篇幅，對這些內(nèi)容的介紹與推導(dǎo)又不夠詳細，結(jié)果造成學(xué)生理解困難，不得要領(lǐng)[2]。其實，對于應(yīng)用型工科院校能將“數(shù)字PID控制器”、“Smith預(yù)估控制”和“大林算法”掌握就足夠了，“串級控制”等內(nèi)容有需要者可以自學(xué)，不必專門介紹?！冬F(xiàn)代控制理論》課程的“狀態(tài)空間模型與極點配置設(shè)計”內(nèi)容在《計算機控制》課程中仍十分重要，離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型分析與觀測器、控制器設(shè)計促進了現(xiàn)代控制理論的廣泛應(yīng)用，所以，雖然這部分內(nèi)容較難理解，但不可或缺。很多現(xiàn)有教材對這部分內(nèi)容略而不談，這是很不應(yīng)該的。隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以往難以實現(xiàn)的先進控制方法陸續(xù)在實踐中獲得應(yīng)用，一些較先進控制規(guī)律，如“二次型最優(yōu)控制”、“自校正控制”、“預(yù)測控制”、“模糊控制”，甚至“網(wǎng)絡(luò)控制”等數(shù)字設(shè)計也被寫進了教材[3，4]。這部分內(nèi)容幾乎每一部分都曾是研究熱點，掌握該內(nèi)容對于拓展思路具有極大幫助，還可以為日后科研工作鋪墊良好基礎(chǔ)。但對于應(yīng)用型工科院校學(xué)生而言，掌握這部分內(nèi)容難度較大，且普遍興趣不高，從就業(yè)前景看，這部分內(nèi)容與之關(guān)系也較疏遠。所以，這部分內(nèi)容可以不必納入課程，相關(guān)內(nèi)容可以移到其他課程做詳細介紹，如“模糊控制”可以歸入《智能控制》課程、“網(wǎng)絡(luò)控制”等可以歸入《先進控制理論》（選修）課程或?qū)ｎ}講座。

綜合上述，結(jié)合應(yīng)用型工科院校特點，《計算機控制》課程的理論內(nèi)容應(yīng)力求“細而精”，避免“全而疏”。理論推導(dǎo)應(yīng)盡可能詳細，即便是與前導(dǎo)課程中重復(fù)的內(nèi)容，仍不要輕易省略，以免造成學(xué)生理解困難。

（二）應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容差異巨大

《計算機控制》課程的應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容幾乎涵蓋了自動化專業(yè)所有應(yīng)用領(lǐng)域。因應(yīng)用涉及面太大，且技術(shù)更新較快，較早教材的應(yīng)用技術(shù)部分已不適合現(xiàn)有教學(xué)[5]，但現(xiàn)有教材的應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容差異卻十分突出。具體表現(xiàn)可歸納為以下幾點：

1. 《計算機控制》應(yīng)用領(lǐng)域選擇不夠恰當

做為一本容量有限的教材，不可能把所有《計算機控制》的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)容都進行介紹，只能選擇相對具有代表性的案例。而且選擇的案例最好是前導(dǎo)課程沒有介紹或較少介紹的內(nèi)容。但有些教材過于偏重微型控制器的應(yīng)用，將PLC或單片機控制系統(tǒng)做為主要應(yīng)用對象介紹。其實，這部分內(nèi)容已經(jīng)在微機原理或單片機課程中做過詳細介紹，沒有必要再重復(fù)說明。

2. 應(yīng)用技術(shù)案例設(shè)計介紹不夠詳細

大部分教材選擇“集散型控制系統(tǒng)”做為典型《計算機控制》應(yīng)用案例，但對其《計算機控制》設(shè)計過程卻說明的不夠詳細。這部分內(nèi)容在《過程控制》課程中有所涉及，基于理論內(nèi)容的延續(xù)性，在《計算機控制》課程中也應(yīng)進行詳細的介紹。“集散型控制系統(tǒng)”本身只會在大型或超大型工廠中應(yīng)用，學(xué)生接觸條件有限。如果教材仍然泛泛介紹系統(tǒng)架構(gòu)，或以實例說明代替設(shè)計過程，會令學(xué)生既不能深入了解應(yīng)用技術(shù)，也認識不到理論知識在實踐中的具體應(yīng)用，造成理論知識與應(yīng)用知識的割裂。

3. 應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容過于龐雜

部分教材注意到了計算機控制新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，將較為成熟的新技術(shù)，如組態(tài)軟件、現(xiàn)場總線、實時網(wǎng)絡(luò)控制等引進教材，這是值得肯定和學(xué)習(xí)的[1，3]。但這些內(nèi)容有的與理論知識聯(lián)系不大（如組態(tài)軟件和現(xiàn)場總線），有的可以在其他課程中進行更為詳細的介紹（如實時網(wǎng)絡(luò)控制和現(xiàn)場總線），而且引入這些內(nèi)容會讓應(yīng)用技術(shù)的內(nèi)容過于龐雜。有些教材應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容篇幅比例竟占全書80%，這種過于擠壓理論知識的教材很不適合應(yīng)用型工科院校學(xué)生學(xué)習(xí)。

綜合上述，結(jié)合應(yīng)用型工科院校特點，《計算機控制》課程的應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容仍應(yīng)力求“細而精”，通過一二個具體應(yīng)用案例，將應(yīng)用理論知識的工程設(shè)計技術(shù)展示給學(xué)生，會讓學(xué)生對《計算機控制》課程的學(xué)習(xí)有更生動的體會。

（三）仿真分析介紹不足

仿真分析是控制理論學(xué)習(xí)的重要組成部分，《計算機控制》也不例外?，F(xiàn)有《計算機控制》課程的仿真分析一般都放在課程實驗環(huán)節(jié)進行，由于《計算機控制》課程的理論知識相對理解較難，不及時跟進仿真分析，不利于知識點的掌握。但現(xiàn)有教材大多不涉及這部分內(nèi)容，而是將這部分任務(wù)推給了配套的實驗課程或?qū)嶒炛笇?dǎo)書。即使有些教材辟出專門的仿真章節(jié)，仍不能滿足對相關(guān)知識點的覆蓋[3]。這種現(xiàn)象雖然和目前《計算機控制》課程實驗平臺單一、仿真實驗簡化有一定關(guān)系，但仍應(yīng)該引起重視。

二、新的教學(xué)內(nèi)容體系

針對上述問題，本文對《計算機控制》課程按“理論知識”、“應(yīng)用技術(shù)知識”和“仿真分析”三部分安排教學(xué)內(nèi)容，提出一種新的教學(xué)體系，具體如下：

（一）理論知識部分

該部分仍以線性離散系統(tǒng)的Z變換分析、數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計、數(shù)字控制器的離散化設(shè)計、線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析等4大部分為主體。其中，“離散系統(tǒng)的Z變換分析”主要包括“Z變換”、“離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)”、“離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析”、“離散系統(tǒng)頻域特性分析”等，雖然內(nèi)容較多，但因與《自動控制原理》課程重疊較大，可以安排較少學(xué)時;“數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計”主要包括“數(shù)字PID”與“Smith預(yù)估控制”，該內(nèi)容相對簡單，應(yīng)安排較少學(xué)時;“數(shù)字控制器的離散化設(shè)計”主要包括“最少拍控制器設(shè)計”和“大林算法”，涉及內(nèi)容代表性強，難度較大，應(yīng)安排較多學(xué)時;“線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析”包括“離散系統(tǒng)狀態(tài)空間模型”、“系統(tǒng)能控性與能觀性”、“極點配置觀測器設(shè)計”和“狀態(tài)不可測控制器設(shè)計”等，該內(nèi)容難度最大，為了與《現(xiàn)代控制理論》課程銜接，所以，也應(yīng)安排較多課時。教學(xué)過程中，教師對上述各部分的知識點均做詳細推導(dǎo)，4部分的課時比例大致為2：1：4：3，這與現(xiàn)有教材篇幅比例有明顯區(qū)別。

（二）應(yīng)用技術(shù)知識部分

該部分主要包括“計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計”和“計算機控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn)”2部分。其中，“計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計”主要介紹計算機控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計基本原則與方法;“計算機控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn)”主要通過一個具體計算機控制實例（如機器人控制或某一工業(yè)控制任務(wù)），詳細介紹控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計過程，將理論知識在計算機控制任務(wù)設(shè)計中的具體應(yīng)用展示出來，尤其要突出工程設(shè)計與理論計算之間的差異，并通過數(shù)字仿真，實現(xiàn)控制任務(wù)要求，從而掌握計算機輔助設(shè)計基本要領(lǐng)。該部分對于計算機控制實例的架構(gòu)、硬件選型、軟件搭建、通訊接口等只做簡要介紹，重點突出離散控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器設(shè)計與實現(xiàn)。應(yīng)用技術(shù)知識部分是本課程教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)有教材的明顯區(qū)別之一。

（三）仿真分析部分

該部分不設(shè)獨立章節(jié)，而是在理論知識每一章的最后和應(yīng)用知識部分的案例中安排仿真分析環(huán)節(jié)，采用MATLAB軟件驗證該章節(jié)主要理論知識點和設(shè)計結(jié)果。在理論知識點中融入仿真分析，學(xué)生可以邊學(xué)習(xí)邊仿真，加深知識點的理解，同時掌握仿真分析軟件相關(guān)操作技巧。這些仿真分析技巧仍可以在配套實驗課程中根據(jù)具體實驗要求使用，這不但與實驗課程不沖突，而且還有助于提高實驗課程質(zhì)量。理論知識仿真分析不占用教學(xué)課時，而是要求學(xué)生自學(xué);應(yīng)用知識部分的案例仿真則需要授課教學(xué)。仿真分析部分是本課程教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)有教材的另一主要區(qū)別。

以上3部分教學(xué)內(nèi)容課時比例為6：2：2，理論知識仍是主體，這樣做的目的并非減少課程的實踐內(nèi)容，而是突出重點，使學(xué)生在盡可能少的課時里掌握盡可能全面的知識點。

三、教學(xué)實踐

在相關(guān)教學(xué)改革政策的推動下， 2017-2019年我們按上述思想對《計算機控制》課程進行了改革。對本校自動化本科專業(yè)的《計算機控制》課程，將原計劃的 48學(xué)時調(diào)整為 40學(xué)時（不含實驗）。按上述教學(xué)體系授課，并通過實驗課程、課程設(shè)計等實踐課程強化，結(jié)果表明，學(xué)生普遍掌握了《計算機控制》基本理論和設(shè)計步驟，部分學(xué)生具備了基本的工程設(shè)計技能。另外，通過Likert量表問卷調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果表明，學(xué)生對該教學(xué)體系滿意度達92%，比采用舊教學(xué)方法的滿意率高出15個百分點，這表明本文的課程體系可以有效提高《計算機控制》課程教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)束語

《計算機控制》課程具有理論內(nèi)容多、知識交叉性強、技術(shù)更新快的特點。本文通過對現(xiàn)有《計算機控制》課程教材內(nèi)容的分析，提出了新的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整方案。本文提出的課程體系包含理論知識、應(yīng)用技術(shù)知識和仿真分析等3個部分，其中，仿真分析融入理論知識和應(yīng)用技術(shù)知識之中。通過教學(xué)驗證，該課程教學(xué)內(nèi)容體系可以有效提高《計算機控制》課程教學(xué)質(zhì)量。該課程體系存在的不足之處有待在今后的教學(xué)中繼續(xù)改進。

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