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摘要：针对机电专业在“计算机控制技术”课程教学中的一些问题，以加强机电专业运用系统与课程衔接为手段，从教学体系规划、教学内容遴选、教学实践环境规划建设等方面进行调整，力图使“计算机控制技术”课程面向机电专业，培养出满足专业需求和具有实践能力的学生。
关键词：PLC技术；计算机控制技术；机电专业
作者简介：李启光（1970-），男，江苏赣榆人，北京信息科技大学机电工程学院，副教授。（北京 100192）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0105-02
计算机控制系统是以计算机为核心实现生产过程自动控制的系统。随着工业技术的发展和生产自动化程度的不断提高，计算机控制技术得到了越来越广泛的应用。“计算机控制技术”融合了计算机技术、自动控制理论和计算机通信技术，是新发展起来的理论性和实践性很强的一门交叉学科。它实际上包含着两部分内容：一是计算机控制理论基础，主要涉及离散控制基础理论；二是实现技术，主要包括通道接口技术、现场总线、人机界面等系统实现技术。课程涉及面很广、知识集成度高，是高等学校自动化、电气工程和机械电子工程等专业的一门重要的专业主干课程。[1-3]
一、“计算机控制技术”课程现状
“计算机控制技术”是一门跨学科专业课程，涵盖内容丰富，但由于各专业的要求不同，课程针对不同专业的侧重内容应有区别，这样才能达到各专业的培养目的。
目前多数高校选用课程教材内容主要是数字滤波、数字 PID、最少拍无差系统、Simth算法和达林算法、模糊控制、神经网络等内容，这部分是建立在一整套完整控制理论基础上的。[4]此外还包括接口技术、现场总线、人机界面等偏重于应用的内容。自动控制等专业培养目标侧重于设计计算机实现控制算法、编制适用于工业控制系统的硬件及接口设计、控制软件，选用此类编排内容的教材比较适用。而机械电子专业方向，机电专业以装备及其控制系统为主要研究对象，课程以了解与掌握计算机控制系统在装备控制中应用为其主要目的，选用此类教材不能体现专业侧重点。同时机电专业有自己的专业设置要求以及本专业特有的先修基础课程，与自控类专业有极大的不同，因此如何根据机电专业自身的专业特点确定理论教学内容及其深度，调整好计算机控制系统的理论及应用技术的关系，是目前机电专业“计算机控制技术”课程教学要解决的首要问题。
因此，在教学实践过程中，应以控制系统应用技术为基础，理论教学的内容和深度以应用内容的需求为标尺，使理论教学内容能够支撑且覆盖该课程涉及的主要技术，使理论教学的深度能與机电专业学生的实际水平及今后的就业需求相符合，同时还要与当前的技术发展水平和趋势相适应，具有一定的前瞻性。
二、机电专业“计算机控制技术”教学内容改革
1.机电特色的控制类课程教学体系调整
面向机电专业的“计算机控制技术”课程应从装备控制应用角度出发，密切结合装备自动化需求组织教学内容。
根据以上原则，在教学中提出将运动控制卡和工业PLC作为计算机控制技术理论与运用结合的载体。一方面在课程开始之前，需要保障学生已掌握先修部分专业应用技术知识，尤其考虑到工业PLC、运动控制器是机电专业常用、最典型控制应用系统，课程内容可与此结合，将工业PLC、运动控制器的应用作为教学案例使用。先修课程包括“电工电子学”、“机械控制工程”、“单片机原理”、“数控技术”、“PLC 原理与应用”等专业课程，其中鉴于“数控技术”课程目前涉及均为封闭式数控系统，因此在课堂上需要补充介绍机电控制中使用面广、开放式的运动控制器（卡）。
另一方面，课程以先修课程中所涉及的、与计算机相关的数字处理与控制技术为主要授课内容，重点介绍数字化后信号处理、数字控制理论及其实现，并通过各个理论教学环节与先修机电控制运用技术紧密结合，实现硬件和软件结合、控制原理和典型应用控制器结合，贯彻理论联系实际的方针，并将先修课程有关方面的知识有机集成在一个完整的机电控制系统内，使学生从整体上系统地掌握数字控制器的机电应用技术。
“计算机控制技术”强调理论、技术与实际应用相结合，理论与实践并重，综合性较强、强调应用，因此在课堂教学与课程实验的基础上，应增加机电综合实践环节，并鼓励学生参加其他开放实验以及科研项目，综合应用所学知识，巩固教学效果。项目选题从工程应用角度出发密切结合装备自动化实践。
2.机电专业特色的课程内容设定
在原有教学内容体系基础上，针对机电专业控制理论基础薄弱、专业需求有别的状况，对教学内容作一系列的重新规划及调整。强调教学内容紧密联系机电传动控制实际需求，优化知识结构、充实机电控制的实例，做到理论和实践运用的对应与相互关联。
对于机械电子专业，拟定的主要教学内容大致如下：
（1）输入/输出通道接口技术。这部分内容在“电工电子学”和“单片机原理”课程软硬件基础知识上，以单片机、PLC、运动控制卡上典型常用的接口硬件，如A/D、D/A、通讯口、触摸屏、开关量输入输出接口等为例子介绍工作原理、使用方法和技术细节问题。
通过与实际应用系统关联认知，学生对输入/输出通道接口设计及技术参数选取建立感性了解，使用中就可以通过查阅样本资料掌握其他类似通用硬件的使用。
（2）数字控制器的设计。在已讲授控制理论基础知识上，这部分主要讲解数字 PID 算法及参数整定、最少拍控制算法、模糊控制等，重点是机电系统过程控制和运动控制中广泛应用的PID控制算法。充分利用PLC系统提供的PID控制指令和运动控制卡轴控开放式接口和整定功能学习了解不同算法性能参数比对。
（3）总线技术与人际界面。在学习通讯网络基本知识基础上，以所学PLC、运动控制卡型号兼容的现场总线网络和HMI为练习和运用对象，掌握运用总线技术实现控制器以及HMI的集成技术。 （4）计算机控制系统的设计。主要学习如何从设计需求搭建机电控制系统，包括器件选型、控制器设计、接口制作到程序设计。设计案例选择机电系统中最典型的闭环运动控制系统，从装置的传动精度和运动快速性需求出发，学习设计选用运动控制器、反馈、驱动系统以及控制算法。此外，抗干扰技术是计算机控制系统必须要注意的一个重要事项，抗干扰技术包括光电隔离、滤波、屏蔽、接地、看门狗等方面，它决定了机电系统的可靠性。
三、机电专业“计算机控制技术”实践教学内容改革
机电专业选修“计算机控制技术”立足于控制系统的机电工程运用，完成课程后学生应当具有机电系统的综合实践能力。根据整合的教学内容，以运动控制卡和工业PLC为运用载体，规划开发了课内实验。
针对机电传动控制的实际运用，规划了基于总线网络的工业生产线PLC控制系统、基于组态软件的温度监控系统两个课内实验，在这两个实验中，实验内容涵盖教学的基本内容，包括控制逻辑、网络总线组态、接口技术、PID整定以及HMI二次开发运用，图1为实验中PLC控制拓扑图。
考虑到课时限制，大部分拓展运用内容均规划在综合实验、开放实验内。根据学生基础和兴趣不同，已开发开环运动控制系统（步进）、仓储管理系统、太阳能跟踪控制系统等实验项目。同时调整机电综合实践环节，提高运动控制实践比重，规划建设了两轴轮廓运动与张力控制综合实验平台（见图2），实验与设计任务包括伺服系统闭环PID整定、控制卡轴控检测反馈、单轴运动位置与速度闭环控制、两轴轮廓运动控制等，学有余力的同学，还可以进行力闭环控制算法设计。
规划强调实践教学内容与工程实际的紧密结合，在硬件平台建设和题目设计规划方面与机电行业发展息息相关，例如针对机电系统中典型运动与力控制需求而规划的实训平台。这样既让学生与社会无缝对接，又可以提高学习的积极性，有利于学生对该专业的理解和能力的培养。同时实验规划也注重综合性和系统性要求，实验内容设计成模块式体系结构，既可以单独训练也可体现各专业内容存在的关联性。使相互耦合的课程整合集成以解决原有各门课程自成体系，对象单一与知识零碎割裂、不能有机联系和综合应用的弊端。围绕综合实训平台，各模块最终体现在一个完整的机电系统设计过程中。
实践教学内容改革也力图体现出渐进性、阶段性和层次性，尊重学生个性差异。例如基于总线网络的工业生产线PLC系统实验训练可选择不同规模和难度的实验项目，如从两个PLC间基本通讯到一主多从网络化；从系统内置PPI网络到PROFIBUS现场总线网络。控制实验项目从简单逻辑、开环运动控制到复杂的温度、运动及力闭环控制。
四、总结
通过北京信息科技大学的教学实践表明，通过把典型的机电运用案例融入教学内容后，学生综合运用知识的能力有所增强，视野得到拓展，机电控制系统的整体观念得到明显改善。通过合理规划面向机电需求的综合实验平台，把各个环节协调一致，使学生更清晰感到课程的实际运用，学习积极性得到了进一步的发挥。
经过教学内容和实验内容改革与建设，“计算机控制技术”课程教学取得了良好的效果，做到了理论、技术与实际应用的有机结合，突出了机电专业方向的特色。
参考文献：
[1]陈桂，陆锋，宋丽蓉.计算机控制技术课程教学改革研究与实践[J].中国现代教育装备，2009，（3）.
[2]干开峰，王俊，丁健.计算机控制技术课程实验教学综述和探索[J].科技视界，2012，（17）.
[3]辅小荣.计算机控制技术课程实践教学探索[J].中国现代教育装备，2011，（9）.
[4]申晓宁.计算機控制技术课程设计的改革与探索 [J].中国电力教育，2010，（27）.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：PLC技术；计算机控制技术；机电专业
作者简介：李启光（1970-），男，江苏赣榆人，北京信息科技大学机电工程学院，副教授。（北京 100192）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0105-02
计算机控制系统是以计算机为核心实现生产过程自动控制的系统。随着工业技术的发展和生产自动化程度的不断提高，计算机控制技术得到了越来越广泛的应用。“计算机控制技术”融合了计算机技术、自动控制理论和计算机通信技术，是新发展起来的理论性和实践性很强的一门交叉学科。它实际上包含着两部分内容：一是计算机控制理论基础，主要涉及离散控制基础理论；二是实现技术，主要包括通道接口技术、现场总线、人机界面等系统实现技术。课程涉及面很广、知识集成度高，是高等学校自动化、电气工程和机械电子工程等专业的一门重要的专业主干课程。[1-3]
一、“计算机控制技术”课程现状
“计算机控制技术”是一门跨学科专业课程，涵盖内容丰富，但由于各专业的要求不同，课程针对不同专业的侧重内容应有区别，这样才能达到各专业的培养目的。
目前多数高校选用课程教材内容主要是数字滤波、数字 PID、最少拍无差系统、Simth算法和达林算法、模糊控制、神经网络等内容，这部分是建立在一整套完整控制理论基础上的。[4]此外还包括接口技术、现场总线、人机界面等偏重于应用的内容。自动控制等专业培养目标侧重于设计计算机实现控制算法、编制适用于工业控制系统的硬件及接口设计、控制软件，选用此类编排内容的教材比较适用。而机械电子专业方向，机电专业以装备及其控制系统为主要研究对象，课程以了解与掌握计算机控制系统在装备控制中应用为其主要目的，选用此类教材不能体现专业侧重点。同时机电专业有自己的专业设置要求以及本专业特有的先修基础课程，与自控类专业有极大的不同，因此如何根据机电专业自身的专业特点确定理论教学内容及其深度，调整好计算机控制系统的理论及应用技术的关系，是目前机电专业“计算机控制技术”课程教学要解决的首要问题。
因此，在教学实践过程中，应以控制系统应用技术为基础，理论教学的内容和深度以应用内容的需求为标尺，使理论教学内容能够支撑且覆盖该课程涉及的主要技术，使理论教学的深度能與机电专业学生的实际水平及今后的就业需求相符合，同时还要与当前的技术发展水平和趋势相适应，具有一定的前瞻性。
二、机电专业“计算机控制技术”教学内容改革
1.机电特色的控制类课程教学体系调整
面向机电专业的“计算机控制技术”课程应从装备控制应用角度出发，密切结合装备自动化需求组织教学内容。
根据以上原则，在教学中提出将运动控制卡和工业PLC作为计算机控制技术理论与运用结合的载体。一方面在课程开始之前，需要保障学生已掌握先修部分专业应用技术知识，尤其考虑到工业PLC、运动控制器是机电专业常用、最典型控制应用系统，课程内容可与此结合，将工业PLC、运动控制器的应用作为教学案例使用。先修课程包括“电工电子学”、“机械控制工程”、“单片机原理”、“数控技术”、“PLC 原理与应用”等专业课程，其中鉴于“数控技术”课程目前涉及均为封闭式数控系统，因此在课堂上需要补充介绍机电控制中使用面广、开放式的运动控制器（卡）。
另一方面，课程以先修课程中所涉及的、与计算机相关的数字处理与控制技术为主要授课内容，重点介绍数字化后信号处理、数字控制理论及其实现，并通过各个理论教学环节与先修机电控制运用技术紧密结合，实现硬件和软件结合、控制原理和典型应用控制器结合，贯彻理论联系实际的方针，并将先修课程有关方面的知识有机集成在一个完整的机电控制系统内，使学生从整体上系统地掌握数字控制器的机电应用技术。
“计算机控制技术”强调理论、技术与实际应用相结合，理论与实践并重，综合性较强、强调应用，因此在课堂教学与课程实验的基础上，应增加机电综合实践环节，并鼓励学生参加其他开放实验以及科研项目，综合应用所学知识，巩固教学效果。项目选题从工程应用角度出发密切结合装备自动化实践。
2.机电专业特色的课程内容设定
在原有教学内容体系基础上，针对机电专业控制理论基础薄弱、专业需求有别的状况，对教学内容作一系列的重新规划及调整。强调教学内容紧密联系机电传动控制实际需求，优化知识结构、充实机电控制的实例，做到理论和实践运用的对应与相互关联。
对于机械电子专业，拟定的主要教学内容大致如下：
（1）输入/输出通道接口技术。这部分内容在“电工电子学”和“单片机原理”课程软硬件基础知识上，以单片机、PLC、运动控制卡上典型常用的接口硬件，如A/D、D/A、通讯口、触摸屏、开关量输入输出接口等为例子介绍工作原理、使用方法和技术细节问题。
通过与实际应用系统关联认知，学生对输入/输出通道接口设计及技术参数选取建立感性了解，使用中就可以通过查阅样本资料掌握其他类似通用硬件的使用。
（2）数字控制器的设计。在已讲授控制理论基础知识上，这部分主要讲解数字 PID 算法及参数整定、最少拍控制算法、模糊控制等，重点是机电系统过程控制和运动控制中广泛应用的PID控制算法。充分利用PLC系统提供的PID控制指令和运动控制卡轴控开放式接口和整定功能学习了解不同算法性能参数比对。
（3）总线技术与人际界面。在学习通讯网络基本知识基础上，以所学PLC、运动控制卡型号兼容的现场总线网络和HMI为练习和运用对象，掌握运用总线技术实现控制器以及HMI的集成技术。 （4）计算机控制系统的设计。主要学习如何从设计需求搭建机电控制系统，包括器件选型、控制器设计、接口制作到程序设计。设计案例选择机电系统中最典型的闭环运动控制系统，从装置的传动精度和运动快速性需求出发，学习设计选用运动控制器、反馈、驱动系统以及控制算法。此外，抗干扰技术是计算机控制系统必须要注意的一个重要事项，抗干扰技术包括光电隔离、滤波、屏蔽、接地、看门狗等方面，它决定了机电系统的可靠性。
三、机电专业“计算机控制技术”实践教学内容改革
机电专业选修“计算机控制技术”立足于控制系统的机电工程运用，完成课程后学生应当具有机电系统的综合实践能力。根据整合的教学内容，以运动控制卡和工业PLC为运用载体，规划开发了课内实验。
针对机电传动控制的实际运用，规划了基于总线网络的工业生产线PLC控制系统、基于组态软件的温度监控系统两个课内实验，在这两个实验中，实验内容涵盖教学的基本内容，包括控制逻辑、网络总线组态、接口技术、PID整定以及HMI二次开发运用，图1为实验中PLC控制拓扑图。
考虑到课时限制，大部分拓展运用内容均规划在综合实验、开放实验内。根据学生基础和兴趣不同，已开发开环运动控制系统（步进）、仓储管理系统、太阳能跟踪控制系统等实验项目。同时调整机电综合实践环节，提高运动控制实践比重，规划建设了两轴轮廓运动与张力控制综合实验平台（见图2），实验与设计任务包括伺服系统闭环PID整定、控制卡轴控检测反馈、单轴运动位置与速度闭环控制、两轴轮廓运动控制等，学有余力的同学，还可以进行力闭环控制算法设计。
规划强调实践教学内容与工程实际的紧密结合，在硬件平台建设和题目设计规划方面与机电行业发展息息相关，例如针对机电系统中典型运动与力控制需求而规划的实训平台。这样既让学生与社会无缝对接，又可以提高学习的积极性，有利于学生对该专业的理解和能力的培养。同时实验规划也注重综合性和系统性要求，实验内容设计成模块式体系结构，既可以单独训练也可体现各专业内容存在的关联性。使相互耦合的课程整合集成以解决原有各门课程自成体系，对象单一与知识零碎割裂、不能有机联系和综合应用的弊端。围绕综合实训平台，各模块最终体现在一个完整的机电系统设计过程中。
实践教学内容改革也力图体现出渐进性、阶段性和层次性，尊重学生个性差异。例如基于总线网络的工业生产线PLC系统实验训练可选择不同规模和难度的实验项目，如从两个PLC间基本通讯到一主多从网络化；从系统内置PPI网络到PROFIBUS现场总线网络。控制实验项目从简单逻辑、开环运动控制到复杂的温度、运动及力闭环控制。
四、总结
通过北京信息科技大学的教学实践表明，通过把典型的机电运用案例融入教学内容后，学生综合运用知识的能力有所增强，视野得到拓展，机电控制系统的整体观念得到明显改善。通过合理规划面向机电需求的综合实验平台，把各个环节协调一致，使学生更清晰感到课程的实际运用，学习积极性得到了进一步的发挥。
经过教学内容和实验内容改革与建设，“计算机控制技术”课程教学取得了良好的效果，做到了理论、技术与实际应用的有机结合，突出了机电专业方向的特色。
参考文献：
[1]陈桂，陆锋，宋丽蓉.计算机控制技术课程教学改革研究与实践[J].中国现代教育装备，2009，（3）.
[2]干开峰，王俊，丁健.计算机控制技术课程实验教学综述和探索[J].科技视界，2012，（17）.
[3]辅小荣.计算机控制技术课程实践教学探索[J].中国现代教育装备，2011，（9）.
[4]申晓宁.计算機控制技术课程设计的改革与探索 [J].中国电力教育，2010，（27）.
（责任编辑：宋秀丽）