电气工程及自动化专业计算机控制技术课程教学方法研究

电气工程及自动化专业计算机控制技术课程教学方法研究
摘要针对电气工程及自动化专业特点，以及应用型本科生的培养目标，提出计算机控制技术课程有效可行的教学方法，包括理论和实验教学方法的设计，激发学生理论学习兴趣，培养学生创造性思维和实际动手能力，提高教学质量。

关键词电气工程及自动化；计算机控制技术；教学方法；实验教学
中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)24-0054-02
Study on Teaching Methods of Computer Control System Course for Electrical Engineering and Automation//Sun Xiaojuan
Abstract Aiming at the characteristic of electrical engineering and automation, and training aim of applied graduate students, the paper puts forward effective measures, including theoretic and experimental teaching method, and stimulats learners’ interests, training students’ creative thinking abilities and hands-on ability, improving teaching quality.
Key words electrical engineering and automation;
computer control system; teaching method; experimental teaching
Author’s address Dept. Electronics & Elect. Engn., Baoji Univ. Arts & Sci., Baoji, Shannxi, China 721006
计算机控制技术是工科自动化及相关专业的专业课程
之一。

课程融计算机、自动控制、电子、通信技术于一体，又融理论、技术、方法、工程实现于一体，使学生在自动控制原理学习的基础上，具有搭建一个实际系统，具备设计、实现和调试一个工程的能力。

为了适应我国现代化建设的需要，培养适应新时代需要的建设性人才，课程教学方法和教学内容的研究就显得尤为重要。

根据课程内容特点，结合目前计算机控制应用领域最新技术，提出本课程的理论和实验教学的方法和手段，使学生将计算机技术和自动控制理论应用于生产过程，提高本课程的实用性和实践性。

教学实践表明，本课程教学方法是行之有效的，提高了教学质量和教学水平。

1 电气工程及自动化专业特点以及培养目标
1.1 电气工程及自动化专业特点
电气工程及自动化专业主要学习电工电子、信息控制及计算机技术方面的课程。

学生将在控制与生产自动化、自动控制与自动化软件应用方面获得系统分析、设计、开发与研
究的基本能力。

强电为主、强弱电结合，电工技术与电子技术相结合，软件与硬件相结合，元件与系统相结合，所培养的学生系统观念强，基础知识宽厚，具有较强的工程实践能力和创新能力。

1.2 电气工程及自动化专业培养目标
电气工程及自动化专业培养德、智、体、美、劳全面发展，知识、能力、素质协调进步，能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、电子与计算机技术应用等领域工作的“高素质、强能力、应用型”高级工程技术人才。

所谓的面向应用或者应用型本科的教学定位，就是以适应社会需要尤其是生产、建设、管理、服务等第一线需要为目标，以培养学生的技术应用能力为重点，因此更强调学生的动手能力和解决生产一线问题的能力。

2 计算机控制技术课程教学方法设计
2.1 计算机控制技术课程内容特点
计算机控制技术是自动化、电气工程及自动化、电子信息科学、计算机科学与技术等专业本科生必修的主干专业课程，在电类专业人才培养方面具有非常重要的地位。

该课程主要讨论计算机控制系统的组成及特点、计算机控制系统的硬件技术、顺序控制与数字程序控制、常规及复杂控制策略、现代控制策略、计算机控制系统的软件技术、集散型控制系
统、数据通讯及测控网络技术、系统的设计与工程实现。

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制技术正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

要求学生掌握基本的计算机控制系统分析方法、软硬件的设计、工程实现技术。

通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的理论与技术，受到较好的工程实践基本训练，具有分析、设计、开发和研究计算机控制系统的基本能力。

课程目标：在使学生掌握计算机控制系统的基本理论、硬件与软件组成、传统与现代控制算法、系统分析与设计方法、系统的工程实现与调试运行技能的同时，注重培养学生建立工程观、系统观、集成观，强化实践技能，着力培养学生的创新精神和创新意识。

2.2 理论教学方法的设计
1）改变传统模式。

传统的“计算机控制技术”课程教学主要使用Z80微型计算机为主要控制工具，也有使用MCS-51单片机为主控制器，这些都和实际应用相差太远，实际应用中主要是采用总线式计算机（PC总线或STD总线）工业控制机[1]。

传统教学方式都是按芯片――电路设计――模块制作――系统安装顺序教学，而现代较多采用总线式工业控制机来组建计算机控制系统，微机硬件技术和软件技术为
手段，系统的工程实现为目的，从而做到理论、技术与实际应用相结合的新模式。

新模式具有研究周期短、可维护性好、技术水平和可靠性高等优点。

2）采用计算机仿真技术，加深学生基础理论的理解。

计算机控制系统仿真是根据真实系统的物理模型或数学模型，利用计算机或实物、半实物，建造一个模拟系统，在模拟系统上进行观测、实验和分析，从而达到认识、理解和控制真实系统的目的[2]。

充分利用现代计算机仿真技术，将一些学生无法建立的系统模型用计算机仿真的方法搭建，加深学生理解知识，努力提高学生的想象力和创造力。

对于一些控制理论与算法的研究，进行系统仿真更是必不可少的。

计算机控制系统的核心就是数字调节器，下面以数字PID调节器的设计为例，说明计算机仿真教学方法的设计。

PID控制：调节器的输出是其输入的比例、积分和微分的函数，结构简单，应用广泛。

其模拟表达式如式①：将积分项和微分项离散化：
将②③式代入模拟表达式①中得到离散PID表达式：
式（4）中，KP为比例系数，TI为积分系数，TD为微分系数[3]。

通过整定比例、积分、微分系数可以使控制系统达到理想的控制效果。

设有一单位反馈系统，其开环传递函数为：
根据扩充临界比例度法，利用MATLAB设计PID控制器
使系统稳定。

其仿真结果如图1、图2所示。

从图1、图2可以直观得到：KP加大，将使系统动作灵敏，响应速度加快、偏大，衰减振荡次数增多，调节时间变长；TI的作用有助于消除系统余差，提高系统的控制精度，但若TI太大，积分作用太弱，则不能减小稳态误差；TD微
分时间常数的增加可以改善系统的动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。

PID参数对系统性能的影响，采用MATLAB系统仿真分析，将控制规律全面、深入地演示，在课堂教学中可加深学生对各种控制规律的内在意义的理解，使复杂的理论简单化。

2.3 实验教学方法的设计
实验教学是电气工程及自动化专业教学的关键，学生的动手能力、工程实践能力和创新能力都要在实验中获得锻炼，也在实验中得以体现。

因此结合专业，以实际应用为主，安排实验教学环节，使学生在实验过程中能看到该课程涉及的技术的应用前景，体会到应用该课程的知识解决具体工程技术问题的乐趣，进而提高学生的学习积极性和学习质量。

比如单闭环温度恒值控制系统实验，实验要求学生理解温度闭环控制的基本原理，了解温度传感器的使用方法，学习温度PID控制参数的配置。

该实验中温度的驱动部分采用直流15 V的驱动电源，经过PWM调制后加到加热器的两端。

温度测量端（反馈端）采用铂热电阻温度传感器，采用PID 控制算法控制温度稳定在设定值，修改P、I、D的参数，观察系统响应，并分析结果。

温度控制的实验是与实际工农业生产非常贴近的，比如加热炉温度控制、温室生产温度控制、飞船船舱温度控制等，这些温度控制大都采用计算机控制技术实现自动调节。

对于电气工程及自动化专业学生来说，这些行业也是其就业的方向，所以实验教学的设计有利于学生了解实际生产，并能明确就业方向。

3 结束语
计算机控制技术课程具有理论性强、实践性强、涉及知识面广等特点，精心设计理论教学过程可以提高学生学习兴趣，使复杂的理论简单化；与工业生产实际相结合的实验教学，提高学生创新能力和动手能力，使学生了解工业生产过程，培养优秀的应用型本科毕业生，满足社会发展需要。

参考文献
[1]于海生.自动化专业《计算机控制系统》课程的改革与实践[J].电气电子教学学报,2000,22(3):16-17
[2]李祥飞,张昌凡.“计算机控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育,2010(12):85-86
[3]于海生.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,2008:85-86
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF 格式阅读原文。