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摘要：注重实践教学的探究式自主学习，以培养创新型人才为目标，介绍了计算机控制技术课程实践教学多元化、开放式教学模式，将MATLAB等仿真工具融入实践教学中，强调综合设计性实验内容和一定的工程创新和科研训练项目，拓展学生专业视野，为深化实践教学改革进行有益的探索。
关键词：计算机控制技术；探究式自主学习；多元化；开放式教学模式；系统仿真
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0079-02
计算机控制技术是自动化专业一门重要的专业系统课。随着计算机技术、控制理论技术、检测与传感器技术、微电子技术、人机接口技术、通信与网络技术及微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来巨大的变革。它的理论性、应用性、实践性和综合性得以完全的展示，为进一步实现大型计算机控制系统打下良好的基础。[1]计算机控制系统以离散控制理论为主线，以该理论在实现上的软、硬件方式为形式，以离散控制与模拟对象的系统设计为内容加强学生以计算机实现控制目标的系统训练。[2]专业知识学习和积累需要坚实的实践环节，实验室应面对学生开放，在基础理论验证实验基础上多设置综合设计性实验内容，为了纵深拓展学生专业知识，增加一定量工程项目训练和纵深科研拓展训练，从而提高学习动机和成就感，学习成效就会有很大的提高。随计算机技术发展，计算机控制技术实践教学应该在前续课程了解到的PLC、单片机、FPGA、DSP基础之上介绍工控机、现场总线、集散控制系统DCS、物联网等系统工程实践，使学生了解计算机应用到控制领域形成的很多新的控制用计算机系统。
一、实践教学具体改革方法
1.压缩理论课时，同时增加实践教学课时
学生的专业课学习过程总体分为两个阶段：一是知识传授的阶段，二是吸收和消化的过程，即知识内化的过程。网络的普及使得知识的传授变得便捷和容易，理论课时压缩，一些内容通过学生查阅资料课堂讨论形式高效完成，专业知识学习需要坚实的实践环节，应增加实践教学课时，实践教学中应为学生提供开放式实验场所、课堂上教师将基础实验及相关项目开发内容引入，项目的开发完成在开放实验室进行，碰到疑难时有老师协助，这样的互动教学会增强学生学习动机和成就感，学习成效就会有很大的提高。
2.设置综合设计性实验内容
计算机控制系统作为自动化专业系统课，专业综合意味强，应加大综合性设计性实验，可以将数字滤波、人机接口新技术等内容加入系统中。因此，在实验室中配备上位机、USB数据采集卡（包括单片机、AD、DA、采样保持器、通信接口）、触摸屏等人机接口部件、运放及阻容部件构成的电网络、典型的被控对象及传感器、信号源、示波器等，其中上位机软件在实现中可采用的一种方案是：大的软件架构可以采用VC++编写，实验环境界面、虚拟示波器、信号发生器用VC++实现，应用VB实现脚本编程器，脚本编程器提供了一个开放的编程环境，不同的算法可以在里面进行编辑和调试。上位机和数据采集卡中MCU下位机间采用串口通讯，首先定义好双方通信协议，在上位机虚拟示波器、脚本编辑器模块与数据采集卡间实现相应互通命令。整个系统采用开放模式，可以将外增加的模块嵌入到本系统中，比如固高公司的倒立摆系统，通过设置链接可将其嵌入到本系统中，提供给学生多样化控制系统，包括无刷直流电机调速系统（单闭环、双闭环）、步进电机圆弧插补实现绘图仪控制、温度控制系统、水箱液位控制系统等。实验前期准备中根据系统的控制指标和任务要求，学生通过设计和实现，在这各类型控制系统中理解前端不同物理量的测量和变送、不同控制算法，对控制系统构成和实现有一个清晰的认识，激发学生的积极性和探究式自主学习的兴趣。
3.MATLAB仿真工具融入实践教学
MATLAB是控制系统仿真研究中一个主流软件，学生应该熟悉掌握这个工具。MATLAB中simulink软件包是实现动态系统建模和仿真的，它支持连续的、离散的及两者混合的线性和非线性系统。Simulink提供的离散模块有离散时间积分器、滤波器、离散状态空间系统模型、离散传递函数模型、零阶和一阶采样保持器等，此外还提供了大量的数学运算工具及丰富的用户接口手段，用户可以将不方便用方框图表示的控制模型采用C语言和S函数形式进行表述。实验室上位机中安装MATLAB仿真软件，实验室面对学生开放，在搭建实体控制系统之前，学生首先应用MATLAB对系统进行仿真研究，获得满意的控制参数。通过MATLAB仿真学生理解了在工程实际中如何来验证自己的算法，缩短系统开发周期，增进了自主式探究问题的信心。
4.纵深拓展专业知识，增加一定量工程创新与科研训练
实验室为学生提供工程创新训练和纵深拓展科研训练平台。工程教育是本科教育的国际趋势，工程训练创新平台需要选取趣味性强、创新性实践性多、知识面广的系统平台，比如无人驾驶智能车系统集传感器技术、人工智能、轨迹规划和自动控制技术于一体。系统在模型验证阶段可以用通电导线模拟道路，通过导线周围磁场对小车进行导航。系统由核心控制模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵机转向模块、车速检测与反馈模块、通讯模块、电源模块等组成。为了紧跟微处理器技术发展，核心控制模块采用Freescale公司新近发布的ARM Cortex-M4 内核微处理器MK60N512ZVLQ10芯片为核心控制器件，在IAR Embedded Workbench for ARM 集成环境中开发应用程序，实现期望的小车自循迹快速行驶。系统的总体方案见图1所示：
（1）硬件系统设计。硬件系统中电机驱动电路见图2所示，系统采用PWM调速，用两个半桥芯片BTS7970构成H全桥对电机进行加减速驱动控制。
道路信息采集与信号调理电路见图3所示，该模块采用四个电感感知道路磁信息，电感从左到右等间距放置在车前端，依次编号为1、2、3、4。电感输出的微弱电动势信号通过滤波、放大后送入核心控制器MCU的AD口进行采集。 （2）系统软件设计。主程序流程见图4所示。传感器数据采集、处理、路径算法识别、舵机转角控制、电机加减速控制在1ms周期中断中完成，PIT周期中断程序流程见图5所示。
无人驾驶智能车系统从工程训练的角度使学生对计算机控制系统设计流程有全方位的接触，从系统功能任务的划分——硬件系统设计与调试——软件代码编写与调试——软硬件联调，清楚了一个项目的开发过程。在这过程中对自动控制专业主流软件MATLAB控制系统仿真、protel DXP、C代码软件编写与调试有更深入的理解和掌握。
工程训练之外，为了纵深拓展专业知识，实验室可以增设双旋翼系统或磁悬浮球系统。这两个典型的多输入多输出系统，从控制的角度看它是一个具有非线性、多变量和强交叉耦合的复杂系统，只有采取行之有效的方法才可以使其稳定。它在控制过程中能有效反应许多关键问题，如非线性、鲁棒性、镇定及解耦等，其控制方法和思路对处理一般的工业过程控制，也具有实际意义。其中双旋翼系统是一个运动方式类似于直升机的系统，选用对它的控制研究有助于对直升机控制系统的设计。在这些典型的控制对象上可将多种算法得以验证，如基于遗传算法的PID参数整定、基于粒子群优化算法的PID参数整定、基于神经网络的系统辨识、滑膜变结构控制等。通过对这些复杂经典的控制系统研究，学生感受到了控制理论的博大和深邃，学生从系统的控制任务和要求出发，进行方案论证及算法的仿真，在典型直观的控制系统中进行算法实现和控制效果的评价，对学生后期展开科学研究打下基础。
另外，增加现场总线、集散控制系统DCS、物联网等系统工程实践，使学生了解计算机应用到控制领域形成的很多新的控制用计算机系统。
三、实验教学内容设计
实验内容包括基础理论验证、综合设计性实验和拓展专业知识的工程与科研训练项目，如表1所示。
了解控制领域形成很多新的控制用计算机系统。实验室设置物联网智能电力系统，随着能源利用方式变化，建设与用户友好互动的智能电网，为用户提供及时准确的用电信息，实现用户的自主选择，是未来智能用电发展方向。该系统以高级计量架构（AMI）为依托，将各种家用数字设备通过短程无线通信连接，为家庭提供安全、可靠、智能化综合服务。系统硬件设备单元包括：智能电表、电力仪表、计量插座、照明控制、扩展开发模块、智能电力网关、安卓平板电脑、GAIA服务器；软件单元包括：GAIA物联网智能平台管理软件、安卓智能应用软件。整个系统按照物联网感知、传输和应用层合理设计，按功能模块进行区分规划，让学生了解新的控制用计算机系统。
四、结论
通过构建多元化、开放式实践教学模式，使得计算机控制技术课程教学实践内容丰富饱满，提供给学生好的工程实践和科研纵深拓展平台，促进创新能力的培养。
参考文献：
[1]李惠光.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]邢航，张铁民.“计算机控制技术”教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2007，（12）：370-372.
[3]姜学军，刘新国.计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，
2010.
[4]常晓军.计算机控制实验内容设计及实验装置研制[J].自动化技术与应用，2009，（8）：128-131.
[5]温淑慧.计算机控制技术实验教学改革初探[J].教学研究，2010，
（11）：59-61.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：计算机控制技术；探究式自主学习；多元化；开放式教学模式；系统仿真
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0079-02
计算机控制技术是自动化专业一门重要的专业系统课。随着计算机技术、控制理论技术、检测与传感器技术、微电子技术、人机接口技术、通信与网络技术及微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来巨大的变革。它的理论性、应用性、实践性和综合性得以完全的展示，为进一步实现大型计算机控制系统打下良好的基础。[1]计算机控制系统以离散控制理论为主线，以该理论在实现上的软、硬件方式为形式，以离散控制与模拟对象的系统设计为内容加强学生以计算机实现控制目标的系统训练。[2]专业知识学习和积累需要坚实的实践环节，实验室应面对学生开放，在基础理论验证实验基础上多设置综合设计性实验内容，为了纵深拓展学生专业知识，增加一定量工程项目训练和纵深科研拓展训练，从而提高学习动机和成就感，学习成效就会有很大的提高。随计算机技术发展，计算机控制技术实践教学应该在前续课程了解到的PLC、单片机、FPGA、DSP基础之上介绍工控机、现场总线、集散控制系统DCS、物联网等系统工程实践，使学生了解计算机应用到控制领域形成的很多新的控制用计算机系统。
一、实践教学具体改革方法
1.压缩理论课时，同时增加实践教学课时
学生的专业课学习过程总体分为两个阶段：一是知识传授的阶段，二是吸收和消化的过程，即知识内化的过程。网络的普及使得知识的传授变得便捷和容易，理论课时压缩，一些内容通过学生查阅资料课堂讨论形式高效完成，专业知识学习需要坚实的实践环节，应增加实践教学课时，实践教学中应为学生提供开放式实验场所、课堂上教师将基础实验及相关项目开发内容引入，项目的开发完成在开放实验室进行，碰到疑难时有老师协助，这样的互动教学会增强学生学习动机和成就感，学习成效就会有很大的提高。
2.设置综合设计性实验内容
计算机控制系统作为自动化专业系统课，专业综合意味强，应加大综合性设计性实验，可以将数字滤波、人机接口新技术等内容加入系统中。因此，在实验室中配备上位机、USB数据采集卡（包括单片机、AD、DA、采样保持器、通信接口）、触摸屏等人机接口部件、运放及阻容部件构成的电网络、典型的被控对象及传感器、信号源、示波器等，其中上位机软件在实现中可采用的一种方案是：大的软件架构可以采用VC++编写，实验环境界面、虚拟示波器、信号发生器用VC++实现，应用VB实现脚本编程器，脚本编程器提供了一个开放的编程环境，不同的算法可以在里面进行编辑和调试。上位机和数据采集卡中MCU下位机间采用串口通讯，首先定义好双方通信协议，在上位机虚拟示波器、脚本编辑器模块与数据采集卡间实现相应互通命令。整个系统采用开放模式，可以将外增加的模块嵌入到本系统中，比如固高公司的倒立摆系统，通过设置链接可将其嵌入到本系统中，提供给学生多样化控制系统，包括无刷直流电机调速系统（单闭环、双闭环）、步进电机圆弧插补实现绘图仪控制、温度控制系统、水箱液位控制系统等。实验前期准备中根据系统的控制指标和任务要求，学生通过设计和实现，在这各类型控制系统中理解前端不同物理量的测量和变送、不同控制算法，对控制系统构成和实现有一个清晰的认识，激发学生的积极性和探究式自主学习的兴趣。
3.MATLAB仿真工具融入实践教学
MATLAB是控制系统仿真研究中一个主流软件，学生应该熟悉掌握这个工具。MATLAB中simulink软件包是实现动态系统建模和仿真的，它支持连续的、离散的及两者混合的线性和非线性系统。Simulink提供的离散模块有离散时间积分器、滤波器、离散状态空间系统模型、离散传递函数模型、零阶和一阶采样保持器等，此外还提供了大量的数学运算工具及丰富的用户接口手段，用户可以将不方便用方框图表示的控制模型采用C语言和S函数形式进行表述。实验室上位机中安装MATLAB仿真软件，实验室面对学生开放，在搭建实体控制系统之前，学生首先应用MATLAB对系统进行仿真研究，获得满意的控制参数。通过MATLAB仿真学生理解了在工程实际中如何来验证自己的算法，缩短系统开发周期，增进了自主式探究问题的信心。
4.纵深拓展专业知识，增加一定量工程创新与科研训练
实验室为学生提供工程创新训练和纵深拓展科研训练平台。工程教育是本科教育的国际趋势，工程训练创新平台需要选取趣味性强、创新性实践性多、知识面广的系统平台，比如无人驾驶智能车系统集传感器技术、人工智能、轨迹规划和自动控制技术于一体。系统在模型验证阶段可以用通电导线模拟道路，通过导线周围磁场对小车进行导航。系统由核心控制模块、路径识别模块、电机驱动模块、舵机转向模块、车速检测与反馈模块、通讯模块、电源模块等组成。为了紧跟微处理器技术发展，核心控制模块采用Freescale公司新近发布的ARM Cortex-M4 内核微处理器MK60N512ZVLQ10芯片为核心控制器件，在IAR Embedded Workbench for ARM 集成环境中开发应用程序，实现期望的小车自循迹快速行驶。系统的总体方案见图1所示：
（1）硬件系统设计。硬件系统中电机驱动电路见图2所示，系统采用PWM调速，用两个半桥芯片BTS7970构成H全桥对电机进行加减速驱动控制。
道路信息采集与信号调理电路见图3所示，该模块采用四个电感感知道路磁信息，电感从左到右等间距放置在车前端，依次编号为1、2、3、4。电感输出的微弱电动势信号通过滤波、放大后送入核心控制器MCU的AD口进行采集。 （2）系统软件设计。主程序流程见图4所示。传感器数据采集、处理、路径算法识别、舵机转角控制、电机加减速控制在1ms周期中断中完成，PIT周期中断程序流程见图5所示。
无人驾驶智能车系统从工程训练的角度使学生对计算机控制系统设计流程有全方位的接触，从系统功能任务的划分——硬件系统设计与调试——软件代码编写与调试——软硬件联调，清楚了一个项目的开发过程。在这过程中对自动控制专业主流软件MATLAB控制系统仿真、protel DXP、C代码软件编写与调试有更深入的理解和掌握。
工程训练之外，为了纵深拓展专业知识，实验室可以增设双旋翼系统或磁悬浮球系统。这两个典型的多输入多输出系统，从控制的角度看它是一个具有非线性、多变量和强交叉耦合的复杂系统，只有采取行之有效的方法才可以使其稳定。它在控制过程中能有效反应许多关键问题，如非线性、鲁棒性、镇定及解耦等，其控制方法和思路对处理一般的工业过程控制，也具有实际意义。其中双旋翼系统是一个运动方式类似于直升机的系统，选用对它的控制研究有助于对直升机控制系统的设计。在这些典型的控制对象上可将多种算法得以验证，如基于遗传算法的PID参数整定、基于粒子群优化算法的PID参数整定、基于神经网络的系统辨识、滑膜变结构控制等。通过对这些复杂经典的控制系统研究，学生感受到了控制理论的博大和深邃，学生从系统的控制任务和要求出发，进行方案论证及算法的仿真，在典型直观的控制系统中进行算法实现和控制效果的评价，对学生后期展开科学研究打下基础。
另外，增加现场总线、集散控制系统DCS、物联网等系统工程实践，使学生了解计算机应用到控制领域形成的很多新的控制用计算机系统。
三、实验教学内容设计
实验内容包括基础理论验证、综合设计性实验和拓展专业知识的工程与科研训练项目，如表1所示。
了解控制领域形成很多新的控制用计算机系统。实验室设置物联网智能电力系统，随着能源利用方式变化，建设与用户友好互动的智能电网，为用户提供及时准确的用电信息，实现用户的自主选择，是未来智能用电发展方向。该系统以高级计量架构（AMI）为依托，将各种家用数字设备通过短程无线通信连接，为家庭提供安全、可靠、智能化综合服务。系统硬件设备单元包括：智能电表、电力仪表、计量插座、照明控制、扩展开发模块、智能电力网关、安卓平板电脑、GAIA服务器；软件单元包括：GAIA物联网智能平台管理软件、安卓智能应用软件。整个系统按照物联网感知、传输和应用层合理设计，按功能模块进行区分规划，让学生了解新的控制用计算机系统。
四、结论
通过构建多元化、开放式实践教学模式，使得计算机控制技术课程教学实践内容丰富饱满，提供给学生好的工程实践和科研纵深拓展平台，促进创新能力的培养。
参考文献：
[1]李惠光.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]邢航，张铁民.“计算机控制技术”教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2007，（12）：370-372.
[3]姜学军，刘新国.计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，
2010.
[4]常晓军.计算机控制实验内容设计及实验装置研制[J].自动化技术与应用，2009，（8）：128-131.
[5]温淑慧.计算机控制技术实验教学改革初探[J].教学研究，2010，
（11）：59-61.
（责任编辑：王祝萍）