《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?？v觀上世紀(jì)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?！队嬎銠C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(xì)，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(jìn)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(jìn)控制方法陸續(xù)在實踐中獲得應(yīng)用，一些較先進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)。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(xì)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(jìn)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(xì)而精”，避免“全而疏”。理論推導(dǎo)應(yīng)盡可能詳細(xì)，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?！队嬎銠C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(dāng)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(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)。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(jìn)行詳細(xì)的介紹?！凹⑿涂刂葡到y(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(rèn)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(jìn)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(jìn)行更為詳細(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(xì)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

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代到來，傳統(tǒng)工業(yè)體系迎來了一場數(shù)字化革命，以智能化、自動化、人性化管理為發(fā)展目標(biāo)，大量先進(jìn)計算機控制技術(shù)被應(yīng)用到冶金生產(chǎn)領(lǐng)域，有力促進(jìn)了信息技術(shù)與冶金工業(yè)的融合。從冶金生產(chǎn)演變維度分析，冶金工業(yè)緣起于近代以來鋼鐵生產(chǎn)工藝改進(jìn)與優(yōu)化，在鋼鐵需求規(guī)模、種類不斷提升的背景下，其生產(chǎn)流程日漸復(fù)雜、技術(shù)裝備不斷升級、創(chuàng)新能力亟待提升，計算機控制技術(shù)引進(jìn)以后，有助于促進(jìn)冶金工業(yè)高質(zhì)、高效發(fā)展，在加速冶金生產(chǎn)一體化的同時，還可以大幅度降低成本、節(jié)約資源。郭愛民編著的《冶金生產(chǎn)計算機控制》（冶金工業(yè)出版社，2014年8月第1版）一書以我國冶金生產(chǎn)操作需求為前提，全方位、多層次地介紹了計算機控制技術(shù)在冶金中的應(yīng)用方式。全書有三大特色值得讀者關(guān)注。

一、深入解讀計算機控制技術(shù)在冶金中的應(yīng)用原理，具有權(quán)威性特征

本書基于理論與實例相結(jié)合的方式，深入解讀了計算機控制技術(shù)如何在冶金生產(chǎn)中應(yīng)用，將深奧晦澀的原理轉(zhuǎn)化為平實易懂的形式，既有助于讀者理解掌握，也不失學(xué)術(shù)權(quán)威特征。究其原因，與本書目標(biāo)讀者群體定位有關(guān)，作者在開篇之際就明確指出，本書是以提高應(yīng)用型本科冶金類專業(yè)教育質(zhì)量為目標(biāo)的，因此書中列舉的冶金生產(chǎn)工藝、設(shè)備、技術(shù)等，均以國內(nèi)冶金企業(yè)為參照，如山西太鋼、晉西集團等企業(yè)。客觀上，由于冶金工業(yè)自身的復(fù)雜性，導(dǎo)致計算機控制技術(shù)應(yīng)用的復(fù)雜性，作者采取了兩種表述方式滿足“深入淺出”的描述：其一，將冶金生產(chǎn)系統(tǒng)解構(gòu)成六大模塊，按照模塊主題組織內(nèi)容，包括“生產(chǎn)過程控制模塊”“控制系統(tǒng)過渡模塊”“調(diào)節(jié)控制模塊”“單回路控制模塊”等。其二，在內(nèi)容中添加豐富的表達(dá)元素，除了文字、公式、工程模型等，添加了大量計算機控制技術(shù)應(yīng)用示意圖，以此增強讀者的直觀體驗。

二、詳細(xì)介紹計算機控制技術(shù)在冶金中的典型應(yīng)用，具有實用性優(yōu)勢

我國自20世紀(jì)70年代就開始構(gòu)建冶金工業(yè)自動化系統(tǒng)，發(fā)展至今，計算機控制技術(shù)已經(jīng)滲透到冶金生產(chǎn)的各個領(lǐng)域、各種環(huán)節(jié)、各類流程中。然而，冶金工業(yè)屬于知識技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品創(chuàng)新速度快、周期短，相對落后的計算機控制技術(shù)會被迅速淘汰，例如機械設(shè)備硬件升級下，必然需要與之匹配的新型計算機控制技術(shù)。經(jīng)過“大浪淘沙”式的進(jìn)化，當(dāng)前計算機控制技術(shù)在國內(nèi)冶金生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域形成了“三足鼎立”的格局，即其典型的應(yīng)用包括“計算機集散控制（DCS）”“現(xiàn)場總線控制（FCS）”“可編程控制器（PLC）”三種。本書立足精益求精的研究宗旨，在三個具有代表性的計算機控制技術(shù)應(yīng)用中進(jìn)一步篩選，突出可編程控制器（PLC）的優(yōu)勢，這一技術(shù)在現(xiàn)實中也是應(yīng)用最廣泛的，具備操作方式簡單、精準(zhǔn)程度高、模擬量控制等特點，最為重要的是，PLC控制技術(shù)應(yīng)用原理與冶金生產(chǎn)全過程管理高度契合，它通過“輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新”三個階段實現(xiàn)功能，屬于典型的順序控制機制。此外，本書從計算機控制技術(shù)實用性出發(fā)，明確其在冶金生產(chǎn)領(lǐng)域未來趨勢，即朝向“智能控制”發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)的專家控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等，都屬于智能控制范疇。

三、全面演示計算機控制技術(shù)監(jiān)控畫面與操作手段，具有借鑒性價值

摘要:針對自主研制的計算機控制三容水箱實驗系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)采集精度低、可控性較差等問題，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。硬件上采用了ADuCM360芯片作為控制核心，設(shè)計采集控制板為4層電路板，并完成了相關(guān)功能的測試。軟件上采用單位時間內(nèi)各模塊實時采樣的方法，增加了采集的數(shù)據(jù)量。改變了閥門的控制策略，并進(jìn)行了控制特性測試，通過MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，分析了閥門的可控程度。對優(yōu)化后的系統(tǒng)采用了動態(tài)矩陣控制與比例—積分—微分(PID)控制結(jié)合(DMC-PID)串級控制算法進(jìn)行仿真驗證。結(jié)果表明:優(yōu)化后的系統(tǒng)在穩(wěn)定性與可控性方面均有提高。

關(guān)鍵詞:計算機控制;優(yōu)化設(shè)計;ADuCM360芯片;動態(tài)矩陣控制;比例—積分—微分(PID)控制

在工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)系統(tǒng)越復(fù)雜，模型建立越困難，控制算法應(yīng)用到工業(yè)對象驗證的代價越高。一般采用MATLAB仿真的方法完成此類實驗，但仿真實驗并不能很好地體現(xiàn)工業(yè)控制過程。三容水箱實驗控制系統(tǒng)作為計算機控制實驗系統(tǒng)的典型代表，為控制算法實驗提供了驗證對象，解決了僅有理論分析、仿真計算而缺乏實驗驗證的問題。許多工業(yè)系統(tǒng)中的控制對象都可以抽象成三容水箱控制模型，該實驗系統(tǒng)可被用來研究控制算法的可行性和有效性，之后再將算法還原于工業(yè)現(xiàn)場驗證其實際控制效果［1］。三容水箱實驗控制系統(tǒng)具有柔性化特點，可通過對閥門和水泵的靈活控制組合成多種過程狀態(tài)，可構(gòu)建復(fù)雜的多輸入、多輸出控制回路［2］，對液位、溫度等多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制，具有良好的可觀性，可以模擬復(fù)雜的工業(yè)控制過程［3］，與實際工業(yè)領(lǐng)域結(jié)合緊密，具有很高的研究意義與應(yīng)用價值。李志軍等人［4］使用西門子S7—300PLC，結(jié)合用于過程控制的OLE(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol，OPC)技術(shù)設(shè)計了可控制液位的四容水箱實驗系統(tǒng);馮曉會［5］利用西門子S7—300PLC研制了可對液位、溫度等參量進(jìn)行監(jiān)測與控制的三容水箱實驗裝置;蔣建波等人［6］以西門子S7—300PLC為控制器設(shè)計了仿真與實驗相結(jié)合的三容水箱實驗裝置。目前大部分多容水箱實驗系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller，PLC)為主控裝置，與采集控制模塊無法集成到一塊電路板中，接線繁雜且可靠性不高;多數(shù)實驗系統(tǒng)僅能進(jìn)行液位控制，功能較為單一;閥門大多需要手動調(diào)節(jié)開度，操作繁瑣且不準(zhǔn)確。本文以一種自主研制的三容水箱系統(tǒng)為研究對象。該三容水箱實驗系統(tǒng)功能較為完備，但仍有其局限性:原系統(tǒng)主控芯片采集數(shù)據(jù)精度不高，軟件中單位時間內(nèi)分時采樣，采集數(shù)據(jù)量少，導(dǎo)致階躍響應(yīng)曲線的繪制不精確進(jìn)而影響系統(tǒng)辨識;原系統(tǒng)電動閥通過計時控制閥門開度，導(dǎo)致控制誤差較大，影響算法控制的準(zhǔn)確性與快速性;原系統(tǒng)采集控制板中傳感器與執(zhí)行器接口布局混亂，易產(chǎn)生電磁干擾，檢修困難等。針對以上問題，本研究對該三容水箱實驗系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計。

1整體優(yōu)化方案設(shè)計

優(yōu)化后的三容水箱實驗控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器控制模塊、電源管理模塊和上位機監(jiān)控模塊四部分組成，其功能框圖如圖1所示。采集控制板設(shè)計為4層電路板，采用負(fù)片的設(shè)計方式將模擬電路和數(shù)字電路分開，將地層與電源層合理分割，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與抗干擾能力。主控芯片為ADuCM360芯片，該芯片的內(nèi)核為ARMCortex—M3，通過芯片內(nèi)集成的兩個24位高精度ADC，來采集3路液位、1路壓力、1路溫度信號，相比之前的16位ADC，采集精度大幅提高，并且可同時開啟多路采樣通道。

2路流量信號的采集

摘要：“計算機控制技術(shù)”課程是自動化類專業(yè)重要的專業(yè)課程。基于工程教育論證的思想，對該課程實驗的教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)效果評價和學(xué)生實驗項目成績評定等方面進(jìn)行了一些改革和實踐，達(dá)到了課程教學(xué)目標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：計算機控制技術(shù)；實驗項目；教學(xué)評價

一、引言

“計算機控制技術(shù)”是自動化、機器人工程、電氣工程及其自動化專業(yè)的主干專業(yè)課程，是一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程。本課程主要介紹計算機控制系統(tǒng)的基本理論、計算機控制器的設(shè)計方法及系統(tǒng)的實現(xiàn)。通過對本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以具備對計算機控制系統(tǒng)的分析能力和設(shè)計能力?！坝嬎銠C控制技術(shù)”課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括：計算機控制系統(tǒng)的總體情況和設(shè)計方法、計算機控制系統(tǒng)的輸入/輸出通道的設(shè)計結(jié)構(gòu)和設(shè)計、開環(huán)數(shù)字程序控制的原理和設(shè)計、數(shù)字PID控制、最少拍控制的基本原理和設(shè)計方法、工控組態(tài)軟件的設(shè)計和控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計等。各高校根據(jù)各自的實驗條件，開設(shè)了不同的實驗項目，但基本上都是驗證性實驗項目和用Matlab做仿真實驗。

二、課程實驗內(nèi)容的改革

對于課時較少的計算機控制技術(shù)課程來說，其實驗課設(shè)定并不多，一般開設(shè)了輸入/輸出通道的數(shù)據(jù)采集實驗、步進(jìn)電機控制實驗、數(shù)字PID實驗等。為了進(jìn)一步加深學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)效果，提高其工程實踐能力以及對科技創(chuàng)新能力，課程增加了一個演示實驗項目和一個創(chuàng)新設(shè)計類項目。演示實驗項目的設(shè)備來源于部分教師科研項目。我們選擇了倒立擺、機器人、磁懸浮裝置、直線柔性控制系統(tǒng)等裝置作為演示實驗設(shè)備。一個班級分成兩組，由課程實驗教師和實驗室指導(dǎo)教師分別演示和講解。選擇“水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計實驗”作為創(chuàng)新設(shè)計類項目，該實驗項目以水箱作為控制對象，提供了多種計算機控制硬件條件和軟件編程語言，由學(xué)生自己設(shè)計一個計算機控制系統(tǒng)。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況選擇控制器，有PC、西門子PLC、8088和單片機可選，編程語言可根據(jù)選擇不同的控制器選擇匯編語言、Matlab、VB、MCGS、STEP7等，避免了控制系統(tǒng)的雷同。表1是我校開設(shè)的是實驗項目和課程教學(xué)知識點的關(guān)系表。

計算機控制技術(shù)是自動化專業(yè)的必修課。該課程是在自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展和建立起來的，它是實現(xiàn)綜合自動化的核心技術(shù)，是一門綜合性和實踐性較強的課程［1－2］。

目前計算機控制技術(shù)課程設(shè)計多數(shù)是以圍繞單片機或8088微處理器為控制核心的實驗平臺開展的，還有部分設(shè)計是要求運用仿真軟件驗證控制算法的正確性。上述要求很可能導(dǎo)致學(xué)生所掌握的知識與工廠實際設(shè)備脫節(jié)。由于學(xué)生對計算機控制相關(guān)硬件設(shè)備沒有感性認(rèn)識，所以導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)，還是對計算機控制技術(shù)的內(nèi)容不能合理、科學(xué)、自如地運用。利用P／T數(shù)字轉(zhuǎn)臺作為課程設(shè)計的平臺，首先，可以使學(xué)生對計算機控制技術(shù)有最初的感性認(rèn)識，其次，由于該設(shè)備采用的是工業(yè)級運動控制板卡，學(xué)生在熟悉相關(guān)資料的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步理解計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理及計算機控制應(yīng)用程序的設(shè)計，達(dá)到將綜合專業(yè)基礎(chǔ)知識與工程實際有機結(jié)合，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。通過資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計與報告撰寫的整個過程，學(xué)生可以得到科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。

1P／T數(shù)字轉(zhuǎn)臺實驗系統(tǒng)介紹

1．1轉(zhuǎn)臺電機控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺電機控制系統(tǒng)主要由運動控制器、具有PCI插槽的PC機、具有增量式編碼器的伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、驅(qū)動器電源、原點開關(guān)和正／負(fù)限位開關(guān)等6個部分組成控制伺服電機時，控制器輸出＋／－10V數(shù)字電壓控制信號。采用GT系列運動控制器組成的控制系統(tǒng)典型連接如圖1所示。

1．2運動控制器

摘要：在新工科建設(shè)的新形勢下，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展。我國“十四五”規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出增強職業(yè)技術(shù)教育的適應(yīng)性，大力培養(yǎng)技術(shù)技能人才。針對傳統(tǒng)的高職《計算機控制技術(shù)》教學(xué)存在的問題，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)實施等方面對該課程進(jìn)行改革，使其更符合新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

關(guān)鍵詞：新形勢；高職；計算機控制技術(shù)；教學(xué)改革

1引言

近些年來，中國制造業(yè)通過數(shù)字智能實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，未來幾年將是我國制造業(yè)實現(xiàn)“中國制造2025”的關(guān)鍵階段?！队嬎銠C控制技術(shù)》作為裝備制造大類自動化類的專業(yè)核心課程，一直備受重視，但傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足智能化時代的課堂需求[1]。本文提出在新工科背景下對《計算機控制技術(shù)》課程進(jìn)行教學(xué)改革，以一個教學(xué)項目--電子鬧鐘的設(shè)計為例，實現(xiàn)提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與實踐創(chuàng)新能力，最終提高電氣自動化類專業(yè)人才的培養(yǎng)水平。

2教學(xué)改革內(nèi)容

2.1課程目標(biāo)改革

鍋爐微計算機控制，是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)，它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，用微機進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。

作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機控制，能對鍋爐進(jìn)行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。

鍋爐微機控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、微機、手自動切換操作、執(zhí)行機構(gòu)及閥、滑差電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機，手自動切換操作部分，手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機及閥等，自動時對微機發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。微機對整個鍋爐的運行進(jìn)行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進(jìn)行微機系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。

控制系統(tǒng)：

鍋爐是一個較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，它不僅調(diào)節(jié)量多，而且各種量之間相互聯(lián)系，相互影響，相互制約，鍋爐內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換機理比較復(fù)雜，所以要對鍋爐建立一個較為理想的數(shù)學(xué)模型比較困難。為此，把鍋爐系統(tǒng)作了簡化處理，化分為三個相對獨立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)然在某些系統(tǒng)中還可以細(xì)分出其它系統(tǒng)如一次風(fēng)量控制回路，但是其主要是以下三個部分：

爐膛負(fù)壓為主調(diào)量的特殊燃燒自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

鍋爐微計算機控制，是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)，它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，用微機進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。

作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機控制，能對鍋爐進(jìn)行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。

鍋爐微機控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、微機、手自動切換操作、執(zhí)行機構(gòu)及閥、滑差電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機，手自動切換操作部分，手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機及閥等，自動時對微機發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。微機對整個鍋爐的運行進(jìn)行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進(jìn)行微機系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。

控制系統(tǒng)：

鍋爐是一個較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，它不僅調(diào)節(jié)量多，而且各種量之間相互聯(lián)系，相互影響，相互制約，鍋爐內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換機理比較復(fù)雜，所以要對鍋爐建立一個較為理想的數(shù)學(xué)模型比較困難。為此，把鍋爐系統(tǒng)作了簡化處理，化分為三個相對獨立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)然在某些系統(tǒng)中還可以細(xì)分出其它系統(tǒng)如一次風(fēng)量控制回路，但是其主要是以下三個部分：

爐膛負(fù)壓為主調(diào)量的特殊燃燒自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中存在的問題

教育部在《關(guān)于加強高職高專人才培養(yǎng)工作的若干意見》中明確指出：“人才培養(yǎng)模式改革的重點是教學(xué)過程的實踐性、開放性和職業(yè)性，實驗、實訓(xùn)、實習(xí)是三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。”[1]實驗、實訓(xùn)、實習(xí)等實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能、鍛煉學(xué)生職業(yè)意識、實現(xiàn)高職培養(yǎng)目標(biāo)的主體教學(xué)環(huán)節(jié)之一。高等職業(yè)院校的教師開展實踐教學(xué)活動，要以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力為主，以職業(yè)的典型工作任務(wù)為導(dǎo)向，鍛煉企業(yè)所期望的工作能力，增強職業(yè)意識，強調(diào)教學(xué)過程的實踐性和職業(yè)性。但目前職業(yè)教育實踐教學(xué)中的幾個問題需引起我們的注意。第一，現(xiàn)有實驗設(shè)備制約著學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高。目前，實驗設(shè)備大多采用以實驗?zāi)K為基本單元的實驗箱形式，往往以最基本的認(rèn)知性和驗證性實驗為主，綜合性、創(chuàng)造性實驗很難實施。對于這樣的實驗，學(xué)生是被動的，是為完成任務(wù)而做實驗，因而無積極性可言。第二，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)過程大多圍繞硬件實物，在實驗室、實訓(xùn)室或企業(yè)車間等場所實施，因其直觀易感性和接近生產(chǎn)實際，向來都是高職實踐課程的主流教學(xué)方式。然而這種教學(xué)方式存在先天不足，因其投入大、適應(yīng)性差且難于開放，往往使實踐教學(xué)過程面臨窘境[2]。對沒有實踐經(jīng)驗的學(xué)生來說，設(shè)計過程中容易造成器件和儀器儀表的損壞，故開展實踐教學(xué)需要購置的元器件數(shù)量增多，開支增大。第三，實踐性很強的專業(yè)課程學(xué)時有限，而設(shè)計型的實踐項目要求學(xué)生在學(xué)習(xí)原理圖的基礎(chǔ)上設(shè)計出實物來，若原理圖不正確會影響實物設(shè)計，延長學(xué)生的設(shè)計時間，又影響學(xué)習(xí)進(jìn)度。

2虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

伴隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，各種虛擬仿真系統(tǒng)為實際系統(tǒng)的開發(fā)提供了可靠的保證，運用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實踐教學(xué)有以下優(yōu)勢：(1)培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能。圍繞模擬和仿真條件開發(fā)的虛擬實驗實訓(xùn)項目，是參考專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)生產(chǎn)要素及崗位能力要求而開發(fā)的。通過訓(xùn)練，可增強學(xué)生實踐技能，提高創(chuàng)新能力和就業(yè)競爭力。(2)教學(xué)成本低?；谟嬎銠C軟件的虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)模式，在多媒體機房或?qū)I(yè)實訓(xùn)室安裝計算機仿真軟件即可開展實踐教學(xué)活動，維護、維修和管理工作量小，節(jié)約了教學(xué)成本。

(3)提升綜合效益。借助Matlab，Proteus等軟件強大的仿真能力以及豐富的資源庫，可以有效替代硬件仿真器進(jìn)行先期的軟硬件調(diào)試，再利用儀器儀表的輸入輸出功能對實驗結(jié)果進(jìn)行檢測，待仿真結(jié)果基本理想時再進(jìn)行實際的硬件調(diào)試。這樣，一方面學(xué)生了解應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)，鍛煉了編程技術(shù)，也學(xué)習(xí)了儀器儀表的使用，提高了設(shè)計水平；另一方面開發(fā)過程高效，損失減少，解決了實驗室資源緊張的問題[3]。

3計算機控制系統(tǒng)虛擬實驗室的建設(shè)

鍋爐微計算機控制，是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)，它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，用微機進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。

作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機控制，能對鍋爐進(jìn)行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。

鍋爐微機控制系統(tǒng)，一般由以下幾部分組成，即由鍋爐本體、一次儀表、微機、手自動切換操作、執(zhí)行機構(gòu)及閥、滑差電機等部分組成，一次儀表將鍋爐的溫度、壓力、流量、氧量、轉(zhuǎn)速等量轉(zhuǎn)換成電壓、電流等送入微機，手自動切換操作部分，手動時由操作人員手動控制，用操作器控制滑差電機及閥等，自動時對微機發(fā)出控制信號經(jīng)執(zhí)行部分進(jìn)行自動操作。微機對整個鍋爐的運行進(jìn)行監(jiān)測、報警、控制以保證鍋爐正常、可靠地運行，除此以外為保證鍋爐運行的安全，在進(jìn)行微機系統(tǒng)設(shè)計時，對鍋爐水位、鍋爐汽包壓力等重要參數(shù)應(yīng)設(shè)置常規(guī)儀表及報警裝置，以保證水位和汽包壓力有雙重甚至三重報警裝置，這是必不可少的，以免鍋爐發(fā)生重大事故。

控制系統(tǒng)：

鍋爐是一個較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，它不僅調(diào)節(jié)量多，而且各種量之間相互聯(lián)系，相互影響，相互制約，鍋爐內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換機理比較復(fù)雜，所以要對鍋爐建立一個較為理想的數(shù)學(xué)模型比較困難。為此，把鍋爐系統(tǒng)作了簡化處理，化分為三個相對獨立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)然在某些系統(tǒng)中還可以細(xì)分出其它系統(tǒng)如一次風(fēng)量控制回路，但是其主要是以下三個部分：

爐膛負(fù)壓為主調(diào)量的特殊燃燒自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)