“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程定位與知識(shí)梳理

王 超，孫宏軍，丁紅兵

(天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是自動(dòng)化類專業(yè)的核心課程之一，涉及的知識(shí)面廣，知識(shí)集成度高，在專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用。課程的教學(xué)效果的優(yōu)劣對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力會(huì)產(chǎn)生直接影響。

伴隨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，工程教育的改革如火如荼，如麻省理工學(xué)院(MIT)的NEET計(jì)劃[1]。2018年9月，我國(guó)教育部、工業(yè)和信息化部及中國(guó)工程院聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見(jiàn)》，提出了一系列的改革任務(wù)和重點(diǎn)舉措。在這一背景下，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的課程目標(biāo)和知識(shí)體系也需重新進(jìn)行梳理和定位。

1 課程的定位

幾乎所有高校的自動(dòng)化專業(yè)都開(kāi)設(shè)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”或“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”類的課程，但側(cè)重各有不同，而與此對(duì)應(yīng)的教材也是種類繁多，各有千秋。高等教育出版社、科學(xué)出版社、機(jī)械工業(yè)出版社、清華大學(xué)出版社和化學(xué)工業(yè)出版社出版的該類教材超過(guò)50本。根據(jù)教學(xué)角度的不同，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)類教材主要分為三類，①以離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論為重點(diǎn)；②以單片機(jī)和接口技術(shù)為重點(diǎn)；③兩者兼顧。各類型教材既有各自的特點(diǎn)，也存在不同的問(wèn)題[2-5]。

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”在自動(dòng)化專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，在培養(yǎng)方案規(guī)劃時(shí)，理順好該課程與其它相關(guān)課程的關(guān)系非常重要。這里主要涉及兩方面的關(guān)系。一方面是“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”與“自動(dòng)控制理論”和“信號(hào)與系統(tǒng)”的關(guān)系；另一方面是“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”與相關(guān)技術(shù)類課程，如：“單片機(jī)”“可編程邏輯控制器”“數(shù)字信號(hào)處理器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等的關(guān)系。上述關(guān)系問(wèn)題的妥善解決，是制定培養(yǎng)方案的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。

自動(dòng)控制的發(fā)展一直伴隨著人類社會(huì)的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。在第一次工業(yè)革命的“蒸汽時(shí)代”有了基于機(jī)械原理的控制裝置；在第二次工業(yè)革命的“電氣時(shí)代”，模擬控制理論使控制性能得到提升；而在第三次工業(yè)革命的“信息時(shí)代”，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變，由處理連續(xù)時(shí)間變量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚黼x散時(shí)間變量，由處理模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚頂?shù)字量[6]?？梢哉f(shuō)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)從其誕生，就是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制為指向，以構(gòu)建實(shí)際控制系統(tǒng)為目標(biāo)的。因此，將“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”定位在構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的共性技術(shù)。以此為依據(jù)，也可以更有針對(duì)性地解決上述的兩個(gè)關(guān)系問(wèn)題。

2 知識(shí)分類和邏輯的梳理

知識(shí)內(nèi)容邏輯越合理，分類越清楚，學(xué)生越易于理解和掌握，才能進(jìn)而提高學(xué)生應(yīng)用知識(shí)和創(chuàng)新的能力。

2.1 清晰的知識(shí)分類

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”涉及的知識(shí)面廣，清晰的分類有利于學(xué)生構(gòu)建自身的知識(shí)體系，并能在今后不斷更新和完善，提高學(xué)生的持續(xù)學(xué)習(xí)能力。

從課程全局角度，理清計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用分類非常重要。計(jì)算機(jī)控制中的計(jì)算機(jī)不是狹義的PC機(jī)，一般泛指數(shù)字化控制裝置，主要包括單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Digital Signal Processor)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC(Industrial Personal Computer/簡(jiǎn)稱“工控機(jī)”)和可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)等。早期的計(jì)算機(jī)價(jià)格比較昂貴、體積也比較龐大，因此，用于控制領(lǐng)域時(shí)，一般采用“集中控制”方式，即用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，檢測(cè)裝置輪流采集機(jī)器或設(shè)備的相關(guān)信息，傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按事先確定好的方式和算法計(jì)算出所需要的控制量，并輪流輸出給每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備。后來(lái)，由于計(jì)算機(jī)價(jià)格的不斷下降，體積也不斷縮小，因此，出現(xiàn)了一臺(tái)計(jì)算機(jī)只完成相對(duì)單一的控制任務(wù)的方式，這種方式在今天也很常見(jiàn)，如冰箱、空調(diào)等通常用一個(gè)單片機(jī)就能完成控制任務(wù)?？蓪⑦@類型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)歸為“計(jì)算機(jī)控制的單元技術(shù)”，重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)控制器或模塊，主要針對(duì)小型控制系統(tǒng)[7]。而大、中型控制系統(tǒng)，往往利用總線技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用商業(yè)化的設(shè)備和軟件進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，較具有代表性的有主要用于機(jī)械制造業(yè)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、用于石油、化工、鋼鐵等生產(chǎn)過(guò)程的集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)和計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)CIPS(Computer Integrated Process System)，以及將控制徹底分散化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)等。將這類型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)歸為“計(jì)算機(jī)控制的集成技術(shù)”[7]。在課程的講授過(guò)程中，應(yīng)給學(xué)生明確哪些內(nèi)容屬于計(jì)算機(jī)控制的單元技術(shù)，哪些內(nèi)容屬于計(jì)算機(jī)控制的集成技術(shù)，哪些內(nèi)容兩者均有應(yīng)用，使學(xué)生學(xué)習(xí)各項(xiàng)技術(shù)時(shí)，都能夠清晰地把握其應(yīng)用的目標(biāo)，避免在龐雜的知識(shí)面前產(chǎn)生混淆，限制解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的提升。

另外，對(duì)于各章節(jié)知識(shí)的分類也需更加清晰。以總線技術(shù)為例，在不同教材的總線技術(shù)部分，總線的分類是有差別的，通過(guò)比較分析，采納了按照內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線三類進(jìn)行界定的方案。內(nèi)部總線是計(jì)算機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連；系統(tǒng)總線是計(jì)算機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級(jí)的互連；外部總線則是計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備之間的總線，用于設(shè)備一級(jí)的互連。通過(guò)這樣的清晰的界定，學(xué)生面對(duì)一些新的總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也可方便的對(duì)其進(jìn)行歸類，不斷豐富自身的知識(shí)體系。

2.2 理順知識(shí)的邏輯關(guān)系

理順知識(shí)的邏輯關(guān)系，一方面便于學(xué)生理解知識(shí)要點(diǎn)，另一方面還可使學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷地應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的知識(shí)，提升掌握程度。

以過(guò)程通道部分為例進(jìn)行說(shuō)明。過(guò)程通道是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中非常重要的部分，在多年的教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序和過(guò)程通道結(jié)構(gòu)構(gòu)成的思路對(duì)該部分的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)架，會(huì)使學(xué)生更加易于掌握，并建立良好的知識(shí)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 過(guò)程通道部分的邏輯關(guān)系

按照接口技術(shù)、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、模擬量輸出通道和模擬量輸入通道順序安排教學(xué)內(nèi)容。接口技術(shù)是基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹地址譯碼、鎖存器和緩沖器，安排在第1節(jié)。以此為基礎(chǔ)，在每類過(guò)程通道的教學(xué)中，都首先介紹該類過(guò)程通道的結(jié)構(gòu)，然后按照過(guò)程通道結(jié)構(gòu)構(gòu)成的思路進(jìn)行講授。以數(shù)字量輸入通道部分為例進(jìn)行說(shuō)明。首先介紹數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用第1節(jié)中緩沖器和地址譯碼的知識(shí)實(shí)現(xiàn)輸入緩沖器和地址譯碼電路的設(shè)計(jì)，而圖1中標(biāo)“★”的“輸入調(diào)理電路”則是增量知識(shí)，從而引導(dǎo)學(xué)生形成數(shù)字量輸入通道的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)。另外，由于A/D轉(zhuǎn)換原理一般都會(huì)使用D/A轉(zhuǎn)換器，因此，按照先模擬量輸出通道，再模擬量輸入通道的順序進(jìn)行教學(xué)。采用這種知識(shí)構(gòu)成的方式進(jìn)行教學(xué)，可更好地引導(dǎo)學(xué)生掌握應(yīng)用知識(shí)解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的方法和思路。

2.3 首章和尾章的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)好首章和尾章，也即開(kāi)好頭，結(jié)好尾?！熬w論”要吸引學(xué)生的興趣，把學(xué)生引進(jìn)門；尾章為“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)例”，要指導(dǎo)學(xué)生架構(gòu)起整體計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。首章和尾章的內(nèi)容設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 首章和尾章的內(nèi)容設(shè)計(jì)

在緒論部分，在講授計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理、組成和發(fā)展概況外，增加了“工業(yè)革命和自動(dòng)化控制”。在該節(jié)中，以工業(yè)革命和自動(dòng)化控制的發(fā)展為脈絡(luò)，講述計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)和科技發(fā)展中的重要地位。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、操作指導(dǎo)系統(tǒng)、直接數(shù)字控制、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)等)一般都在緒論部分進(jìn)行講授，多數(shù)計(jì)算機(jī)控制類教材也這樣安排。但是，學(xué)生們?cè)诰w論的學(xué)習(xí)階段，還沒(méi)有系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，往往只是機(jī)械記憶這些結(jié)構(gòu)類型，對(duì)提高他們的設(shè)計(jì)能力幫助非常有限。因此，將“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型”調(diào)整到了最后一章(計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)例)，更有利于指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需求選擇適合的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這也和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)定位相匹配。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)例部分中，按照計(jì)算機(jī)控制的單元技術(shù)和集成技術(shù)分別給出實(shí)例。為了培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)工藝和任務(wù)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能力，采用開(kāi)放式任務(wù)的形式給出實(shí)例。以計(jì)算機(jī)控制的單元技術(shù)設(shè)計(jì)任務(wù)為例進(jìn)行說(shuō)明。該任務(wù)以設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器為目標(biāo)，在任務(wù)描述中，針對(duì)不同層次的學(xué)生，給出了基本要求和提高要求。為了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題，給出了各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)與課程章節(jié)知識(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)，給出了實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線示例，但鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)要求設(shè)計(jì)出自己的控制系統(tǒng)。

3 課程內(nèi)容的更新與取舍

將“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程定位于構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的共性技術(shù)。以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)課程內(nèi)容的更新與取舍就有了依據(jù)。

3.1 課程內(nèi)容的更新

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，隨著微型計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，針對(duì)小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的單元技術(shù)，和針對(duì)大中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的集成技術(shù)都得到長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著以工業(yè)4.0、人工智能和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等為標(biāo)志的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)開(kāi)始，很多新的技術(shù)被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因此，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程也應(yīng)緊跟技術(shù)的發(fā)展，淘汰不再使用的舊技術(shù)，并增加新的技術(shù)內(nèi)容。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，自動(dòng)化水平不斷提高，大量的智能單元應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此，計(jì)算機(jī)與智能單元之間，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享和信息交換，都必須通過(guò)數(shù)據(jù)通信來(lái)解決，除過(guò)程通道與現(xiàn)場(chǎng)溝通外，數(shù)據(jù)通信也成為與現(xiàn)場(chǎng)溝通的重要信息通道。而隨著以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代信息技術(shù)的興起以及向工業(yè)領(lǐng)域的融合滲透，多個(gè)國(guó)家紛紛提出了以智能制造為核心的再工業(yè)化戰(zhàn)略，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合，促進(jìn)工業(yè)數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化發(fā)展。因此，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要性越來(lái)越高。

在通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，很多教材遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)的發(fā)展，如有些教材的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)甚至還停留在2003年IEC61158 第3版的階段。10多年過(guò)去了，加入多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案，包括20個(gè)類型的IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的第4版在2007年已經(jīng)發(fā)布。而伴隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)如NB-IoT和LoRa等會(huì)成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的一種重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過(guò)在課程中增加該方面的內(nèi)容，能讓學(xué)生了解最新的技術(shù)，并理解這些技術(shù)在國(guó)家重大戰(zhàn)略的中的地位。

除增加通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)容比重外，一些現(xiàn)有教材少有涉及的一些新的技術(shù)也增加到了課程中，如在A/D轉(zhuǎn)換原理中，增加了近年來(lái)在儀器中廣泛采用，可達(dá)到16～24位轉(zhuǎn)換精度的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換原理的講授。

總之，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程應(yīng)該緊跟信息與通信技術(shù)的發(fā)展，以構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為目標(biāo)，用新的技術(shù)賦能學(xué)生。

3.2 課程內(nèi)容的取舍

根據(jù)構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的共性技術(shù)的課程定位，本課程不再以連續(xù)化設(shè)計(jì)方法和離散化設(shè)計(jì)方法以及其穩(wěn)定性的分析目標(biāo)組織教學(xué)內(nèi)容，將屬于“自動(dòng)化控制理論”的離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析回歸到“自動(dòng)化控制理論”。

控制策略部分的內(nèi)容聚焦于控制策略的具體實(shí)現(xiàn)。在這一部分中，首先，講授應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字PID控制器的實(shí)現(xiàn)、改進(jìn)和參數(shù)整定；其次，針對(duì)實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些被控對(duì)象特性比較復(fù)雜，或控制要求比較特別的情況，講授基于數(shù)字PID的多回路復(fù)雜控制系統(tǒng)，從而使學(xué)生構(gòu)成相對(duì)完整的數(shù)字PID控制知識(shí)體系。對(duì)于先進(jìn)控制策略，則選擇了在實(shí)際控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的先進(jìn)控制策略——模型算法控制進(jìn)行重點(diǎn)介紹，在介紹其原理、實(shí)現(xiàn)和參數(shù)整定的基礎(chǔ)上，還為感興趣的同學(xué)介紹了Matlab中MPC工具箱對(duì)預(yù)測(cè)控制的仿真方法。對(duì)于其他先進(jìn)控制策略，則立足于控制策略思路的簡(jiǎn)介。在控制策略的最后部分，從編制控制策略程序模塊的角度安排了“控制策略的工程實(shí)現(xiàn)”的教學(xué)內(nèi)容。

同時(shí)，通過(guò)強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的“共性技術(shù)”特征，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”與“單片機(jī)”“可編程邏輯控制器”“數(shù)字信號(hào)處理器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等課程的關(guān)系問(wèn)題也就迎刃而解了?！皢纹瑱C(jī)”“可編程邏輯控制器”“數(shù)字信號(hào)處理器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等專注于各自的“專有技術(shù)”，由于“共性技術(shù)”已集中于“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”，在這類課程中就沒(méi)有必要重復(fù)講授了。這樣也避免了不同課程內(nèi)容重疊。學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制共性技術(shù)的基礎(chǔ)上，再選修1～2門的屬于專有技術(shù)的課程，知識(shí)結(jié)構(gòu)將更加合理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文是作者在15余年講授“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的過(guò)程中，通過(guò)不斷的梳理總結(jié)，逐漸將“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”聚焦于構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的共性技術(shù)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的內(nèi)容體系，一方面與離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相區(qū)別，另外一方面又可與如“單片機(jī)”“嵌入式系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理器”“可編程控制器”和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)”等課程很好地形成互補(bǔ)關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)成課程組，在有限的學(xué)時(shí)中，共性技術(shù)和專有技術(shù)相結(jié)合，更有效地培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

雖然通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐取得了較好的效果，但由于本人視野和水平有限，難免存在偏頗和錯(cuò)誤之處，僅以此文拋磚引玉，共同探討。