李啟光?姚小敏?朱春梅?祁志生?王會香

摘要：針對機電專業(yè)在“計算機控制技術(shù)”課程教學(xué)中的一些問題，以加強機電專業(yè)運用系統(tǒng)與課程銜接為手段，從教學(xué)體系規(guī)劃、教學(xué)內(nèi)容遴選、教學(xué)實踐環(huán)境規(guī)劃建設(shè)等方面進行調(diào)整，力圖使“計算機控制技術(shù)”課程面向機電專業(yè)，培養(yǎng)出滿足專業(yè)需求和具有實踐能力的學(xué)生。

關(guān)鍵詞：PLC技術(shù)；計算機控制技術(shù)；機電專業(yè)

作者簡介：李啟光（1970-），男，江蘇贛榆人，北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，副教授。（北京 100192）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0105-02

計算機控制系統(tǒng)是以計算機為核心實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，計算機控制技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用?！坝嬎銠C控制技術(shù)”融合了計算機技術(shù)、自動控制理論和計算機通信技術(shù)，是新發(fā)展起來的理論性和實踐性很強的一門交叉學(xué)科。它實際上包含著兩部分內(nèi)容：一是計算機控制理論基礎(chǔ)，主要涉及離散控制基礎(chǔ)理論；二是實現(xiàn)技術(shù)，主要包括通道接口技術(shù)、現(xiàn)場總線、人機界面等系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)。課程涉及面很廣、知識集成度高，是高等學(xué)校自動化、電氣工程和機械電子工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)主干課程。[1-3]

一、“計算機控制技術(shù)”課程現(xiàn)狀

“計算機控制技術(shù)”是一門跨學(xué)科專業(yè)課程，涵蓋內(nèi)容豐富，但由于各專業(yè)的要求不同，課程針對不同專業(yè)的側(cè)重內(nèi)容應(yīng)有區(qū)別，這樣才能達到各專業(yè)的培養(yǎng)目的。

目前多數(shù)高校選用課程教材內(nèi)容主要是數(shù)字濾波、數(shù)字 PID、最少拍無差系統(tǒng)、Simth算法和達林算法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容，這部分是建立在一整套完整控制理論基礎(chǔ)上的。[4]此外還包括接口技術(shù)、現(xiàn)場總線、人機界面等偏重于應(yīng)用的內(nèi)容。自動控制等專業(yè)培養(yǎng)目標側(cè)重于設(shè)計計算機實現(xiàn)控制算法、編制適用于工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件及接口設(shè)計、控制軟件，選用此類編排內(nèi)容的教材比較適用。而機械電子專業(yè)方向，機電專業(yè)以裝備及其控制系統(tǒng)為主要研究對象，課程以了解與掌握計算機控制系統(tǒng)在裝備控制中應(yīng)用為其主要目的，選用此類教材不能體現(xiàn)專業(yè)側(cè)重點。同時機電專業(yè)有自己的專業(yè)設(shè)置要求以及本專業(yè)特有的先修基礎(chǔ)課程，與自控類專業(yè)有極大的不同，因此如何根據(jù)機電專業(yè)自身的專業(yè)特點確定理論教學(xué)內(nèi)容及其深度，調(diào)整好計算機控制系統(tǒng)的理論及應(yīng)用技術(shù)的關(guān)系，是目前機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”課程教學(xué)要解決的首要問題。

因此，在教學(xué)實踐過程中，應(yīng)以控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，理論教學(xué)的內(nèi)容和深度以應(yīng)用內(nèi)容的需求為標尺，使理論教學(xué)內(nèi)容能夠支撐且覆蓋該課程涉及的主要技術(shù)，使理論教學(xué)的深度能與機電專業(yè)學(xué)生的實際水平及今后的就業(yè)需求相符合，同時還要與當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平和趨勢相適應(yīng)，具有一定的前瞻性。

二、機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容改革

1.機電特色的控制類課程教學(xué)體系調(diào)整

面向機電專業(yè)的“計算機控制技術(shù)”課程應(yīng)從裝備控制應(yīng)用角度出發(fā)，密切結(jié)合裝備自動化需求組織教學(xué)內(nèi)容。

根據(jù)以上原則，在教學(xué)中提出將運動控制卡和工業(yè)PLC作為計算機控制技術(shù)理論與運用結(jié)合的載體。一方面在課程開始之前，需要保障學(xué)生已掌握先修部分專業(yè)應(yīng)用技術(shù)知識，尤其考慮到工業(yè)PLC、運動控制器是機電專業(yè)常用、最典型控制應(yīng)用系統(tǒng)，課程內(nèi)容可與此結(jié)合，將工業(yè)PLC、運動控制器的應(yīng)用作為教學(xué)案例使用。先修課程包括“電工電子學(xué)”、“機械控制工程”、“單片機原理”、“數(shù)控技術(shù)”、“PLC 原理與應(yīng)用”等專業(yè)課程，其中鑒于“數(shù)控技術(shù)”課程目前涉及均為封閉式數(shù)控系統(tǒng)，因此在課堂上需要補充介紹機電控制中使用面廣、開放式的運動控制器（卡）。

另一方面，課程以先修課程中所涉及的、與計算機相關(guān)的數(shù)字處理與控制技術(shù)為主要授課內(nèi)容，重點介紹數(shù)字化后信號處理、數(shù)字控制理論及其實現(xiàn)，并通過各個理論教學(xué)環(huán)節(jié)與先修機電控制運用技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)硬件和軟件結(jié)合、控制原理和典型應(yīng)用控制器結(jié)合，貫徹理論聯(lián)系實際的方針，并將先修課程有關(guān)方面的知識有機集成在一個完整的機電控制系統(tǒng)內(nèi)，使學(xué)生從整體上系統(tǒng)地掌握數(shù)字控制器的機電應(yīng)用技術(shù)。

“計算機控制技術(shù)”強調(diào)理論、技術(shù)與實際應(yīng)用相結(jié)合，理論與實踐并重，綜合性較強、強調(diào)應(yīng)用，因此在課堂教學(xué)與課程實驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加機電綜合實踐環(huán)節(jié)，并鼓勵學(xué)生參加其他開放實驗以及科研項目，綜合應(yīng)用所學(xué)知識，鞏固教學(xué)效果。項目選題從工程應(yīng)用角度出發(fā)密切結(jié)合裝備自動化實踐。

2.機電專業(yè)特色的課程內(nèi)容設(shè)定

在原有教學(xué)內(nèi)容體系基礎(chǔ)上，針對機電專業(yè)控制理論基礎(chǔ)薄弱、專業(yè)需求有別的狀況，對教學(xué)內(nèi)容作一系列的重新規(guī)劃及調(diào)整。強調(diào)教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系機電傳動控制實際需求，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)、充實機電控制的實例，做到理論和實踐運用的對應(yīng)與相互關(guān)聯(lián)。

對于機械電子專業(yè)，擬定的主要教學(xué)內(nèi)容大致如下：

（1）輸入/輸出通道接口技術(shù)。這部分內(nèi)容在“電工電子學(xué)”和“單片機原理”課程軟硬件基礎(chǔ)知識上，以單片機、PLC、運動控制卡上典型常用的接口硬件，如A/D、D/A、通訊口、觸摸屏、開關(guān)量輸入輸出接口等為例子介紹工作原理、使用方法和技術(shù)細節(jié)問題。

通過與實際應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)認知，學(xué)生對輸入/輸出通道接口設(shè)計及技術(shù)參數(shù)選取建立感性了解，使用中就可以通過查閱樣本資料掌握其他類似通用硬件的使用。

（2）數(shù)字控制器的設(shè)計。在已講授控制理論基礎(chǔ)知識上，這部分主要講解數(shù)字 PID 算法及參數(shù)整定、最少拍控制算法、模糊控制等，重點是機電系統(tǒng)過程控制和運動控制中廣泛應(yīng)用的PID控制算法。充分利用PLC系統(tǒng)提供的PID控制指令和運動控制卡軸控開放式接口和整定功能學(xué)習(xí)了解不同算法性能參數(shù)比對。

（3）總線技術(shù)與人際界面。在學(xué)習(xí)通訊網(wǎng)絡(luò)基本知識基礎(chǔ)上，以所學(xué)PLC、運動控制卡型號兼容的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和HMI為練習(xí)和運用對象，掌握運用總線技術(shù)實現(xiàn)控制器以及HMI的集成技術(shù)。

（4）計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計。主要學(xué)習(xí)如何從設(shè)計需求搭建機電控制系統(tǒng)，包括器件選型、控制器設(shè)計、接口制作到程序設(shè)計。設(shè)計案例選擇機電系統(tǒng)中最典型的閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，從裝置的傳動精度和運動快速性需求出發(fā)，學(xué)習(xí)設(shè)計選用運動控制器、反饋、驅(qū)動系統(tǒng)以及控制算法。此外，抗干擾技術(shù)是計算機控制系統(tǒng)必須要注意的一個重要事項，抗干擾技術(shù)包括光電隔離、濾波、屏蔽、接地、看門狗等方面，它決定了機電系統(tǒng)的可靠性。

三、機電專業(yè)“計算機控制技術(shù)”實踐教學(xué)內(nèi)容改革

機電專業(yè)選修“計算機控制技術(shù)”立足于控制系統(tǒng)的機電工程運用，完成課程后學(xué)生應(yīng)當(dāng)具有機電系統(tǒng)的綜合實踐能力。根據(jù)整合的教學(xué)內(nèi)容，以運動控制卡和工業(yè)PLC為運用載體，規(guī)劃開發(fā)了課內(nèi)實驗。

針對機電傳動控制的實際運用，規(guī)劃了基于總線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)、基于組態(tài)軟件的溫度監(jiān)控系統(tǒng)兩個課內(nèi)實驗，在這兩個實驗中，實驗內(nèi)容涵蓋教學(xué)的基本內(nèi)容，包括控制邏輯、網(wǎng)絡(luò)總線組態(tài)、接口技術(shù)、PID整定以及HMI二次開發(fā)運用，圖1為實驗中PLC控制拓撲圖。

考慮到課時限制，大部分拓展運用內(nèi)容均規(guī)劃在綜合實驗、開放實驗內(nèi)。根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和興趣不同，已開發(fā)開環(huán)運動控制系統(tǒng)（步進）、倉儲管理系統(tǒng)、太陽能跟蹤控制系統(tǒng)等實驗項目。同時調(diào)整機電綜合實踐環(huán)節(jié)，提高運動控制實踐比重，規(guī)劃建設(shè)了兩軸輪廓運動與張力控制綜合實驗平臺（見圖2），實驗與設(shè)計任務(wù)包括伺服系統(tǒng)閉環(huán)PID整定、控制卡軸控檢測反饋、單軸運動位置與速度閉環(huán)控制、兩軸輪廓運動控制等，學(xué)有余力的同學(xué)，還可以進行力閉環(huán)控制算法設(shè)計。

規(guī)劃強調(diào)實踐教學(xué)內(nèi)容與工程實際的緊密結(jié)合，在硬件平臺建設(shè)和題目設(shè)計規(guī)劃方面與機電行業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，例如針對機電系統(tǒng)中典型運動與力控制需求而規(guī)劃的實訓(xùn)平臺。這樣既讓學(xué)生與社會無縫對接，又可以提高學(xué)習(xí)的積極性，有利于學(xué)生對該專業(yè)的理解和能力的培養(yǎng)。同時實驗規(guī)劃也注重綜合性和系統(tǒng)性要求，實驗內(nèi)容設(shè)計成模塊式體系結(jié)構(gòu)，既可以單獨訓(xùn)練也可體現(xiàn)各專業(yè)內(nèi)容存在的關(guān)聯(lián)性。使相互耦合的課程整合集成以解決原有各門課程自成體系，對象單一與知識零碎割裂、不能有機聯(lián)系和綜合應(yīng)用的弊端。圍繞綜合實訓(xùn)平臺，各模塊最終體現(xiàn)在一個完整的機電系統(tǒng)設(shè)計過程中。

實踐教學(xué)內(nèi)容改革也力圖體現(xiàn)出漸進性、階段性和層次性，尊重學(xué)生個性差異。例如基于總線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)生產(chǎn)線PLC系統(tǒng)實驗訓(xùn)練可選擇不同規(guī)模和難度的實驗項目，如從兩個PLC間基本通訊到一主多從網(wǎng)絡(luò)化；從系統(tǒng)內(nèi)置PPI網(wǎng)絡(luò)到PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)?？刂茖嶒烅椖繌暮唵芜壿?、開環(huán)運動控制到復(fù)雜的溫度、運動及力閉環(huán)控制。

四、總結(jié)

通過北京信息科技大學(xué)的教學(xué)實踐表明，通過把典型的機電運用案例融入教學(xué)內(nèi)容后，學(xué)生綜合運用知識的能力有所增強，視野得到拓展，機電控制系統(tǒng)的整體觀念得到明顯改善。通過合理規(guī)劃面向機電需求的綜合實驗平臺，把各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致，使學(xué)生更清晰感到課程的實際運用，學(xué)習(xí)積極性得到了進一步的發(fā)揮。

經(jīng)過教學(xué)內(nèi)容和實驗內(nèi)容改革與建設(shè)，“計算機控制技術(shù)”課程教學(xué)取得了良好的效果，做到了理論、技術(shù)與實際應(yīng)用的有機結(jié)合，突出了機電專業(yè)方向的特色。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）