基于工程教育認證的《計算機控制系統(tǒng)》課程改革與實踐

汪德彪 胡文金 楊波 劉顯榮 姚立忠

摘要：工程教育認證在我國工科專業(yè)中受到越來越多的重視，《計算機控制系統(tǒng)》課程作為自動化專業(yè)的核心課程之一，在工程教育認證中發(fā)揮著重要作用，其教學(xué)內(nèi)容必須滿足工程教育認證的要求。本文針對《計算機控制系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容不適應(yīng)工程教育認證的問題，通過強化、補充、融合相關(guān)內(nèi)容使其滿足工程認證需要。通過教學(xué)實踐取得了良好教學(xué)效果，并在教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)手段和方法，以及實驗教學(xué)等方面取得進展。

關(guān)鍵詞：計算機控制系統(tǒng)；工程教育認證；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0263-04

一、引言

工程教育認證具有“國際實質(zhì)等效性”，如果一個專業(yè)通過工程教育認證就意味著其培養(yǎng)的學(xué)生具有國際上廣泛認同的質(zhì)量標準[1]。我國早在20世紀90年代初就開始探索專業(yè)的工程教育認證工作，2006年成立工程教育認證專家委員會，之后逐漸得到發(fā)展和完善，于2012年成立工程教育認證協(xié)會，并于2013年加入華盛頓協(xié)議，從此我國的工程教育認證得到國際認可[2]。國內(nèi)許多高校也十分重視并積極參與專業(yè)的工程教育認證工作，我校自動化專業(yè)于2016年通過了工程教育認證，通過此項工作極大地促進了專業(yè)改革和課程建設(shè)，自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量穩(wěn)步提高?！队嬎銠C控制系統(tǒng)》作為自動化專業(yè)的一門核心課程，具有綜合性、實踐性、工程性等特點，對自動化專業(yè)的總體能力形成和工程實踐能力培養(yǎng)具有不可替代的作用[3-7]。工程教育認證為《計算機控制系統(tǒng)》課程教學(xué)內(nèi)容改革提供了廣闊的平臺，在充分論證基礎(chǔ)上，以滿足自動化專業(yè)總體要求為依托，以工程教育認證為引領(lǐng)，我們對自動化專業(yè)的《計算機控制系統(tǒng)》課程進行了大幅度改革，通過3年來的教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果。

二、課程教學(xué)內(nèi)容的問題分析

目前《計算機控制系統(tǒng)》課程的教學(xué)內(nèi)容可以歸納為以下6個方面：一是計算機控制的基本概念，主要包含計算機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、典型的控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的性能指標、控制系統(tǒng)的實時性等內(nèi)容。二是計算機控制硬件系統(tǒng)，主要包含接口技術(shù)與過程通道技術(shù)、含有少許工業(yè)控制計算機的基本內(nèi)容、硬件抗干擾技術(shù)等。三是過程量的采集與數(shù)字濾波、工程量轉(zhuǎn)換、線性化處理等。四是控制算法，主要是數(shù)字PID算法及其參數(shù)整定、數(shù)字控制器離散化設(shè)計技術(shù)、復(fù)雜控制技術(shù)等。五是控制網(wǎng)絡(luò)與集散控制系統(tǒng)基本知識。六是計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與案例分析。通道和算法是兩個核心內(nèi)容。從表面上看教學(xué)內(nèi)容是豐富的，但在教學(xué)實踐中往往存在不少問題，有的問題因校而異，有的問題因人而不同，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，工程性不強。在教學(xué)中往往理論分析多，將理論如何應(yīng)用于工程實際薄弱。比如PID算法的工程實現(xiàn)問題，工程化處理的緣由是什么、工程化處理內(nèi)容是什么、工程化處理過程如何實現(xiàn)等沒有得到充分體現(xiàn)。又比如過程通道技術(shù)教學(xué)內(nèi)容陳舊，理論分析過多，沒有與當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用潮流接軌，教學(xué)與工程應(yīng)用是脫節(jié)的。

第二，缺少非技術(shù)性教學(xué)內(nèi)容。該課程的教學(xué)內(nèi)容幾乎完全是關(guān)于計算機控制的技術(shù)性內(nèi)容，相關(guān)非技術(shù)性教學(xué)內(nèi)容很少，但是一個成功的計算機控制系統(tǒng)應(yīng)用涉及很多非技術(shù)因素，為了提高自動化專業(yè)學(xué)生工程實踐能力，這些內(nèi)容是不可或缺的。比如技術(shù)經(jīng)濟分析、工程與環(huán)境、工程倫理等。

第三，缺少計算機控制相關(guān)的規(guī)范性教學(xué)內(nèi)容。從培養(yǎng)人的角度出發(fā)，不僅要教會學(xué)生做事，還應(yīng)該教會學(xué)生在做事過程中遵從規(guī)范和標準，使學(xué)生具備按照相關(guān)規(guī)范高質(zhì)量地完成計算機控制系統(tǒng)相關(guān)工作的意識。比如工程設(shè)計的技術(shù)規(guī)范、設(shè)計資料的管理規(guī)范等。目前的教學(xué)內(nèi)容中缺少這些，在計算機控制的相關(guān)實踐教學(xué)中，大量存在設(shè)計圖紙、文檔不規(guī)范、遵從的技術(shù)標準不明確等問題。

三、應(yīng)對措施

（一）突出復(fù)雜工程問題教學(xué)內(nèi)容

分析解決復(fù)雜工程問題是專業(yè)綜合能力的重要體現(xiàn)。對于自動化專業(yè)而言，什么是復(fù)雜工程問題，在計算機控制系統(tǒng)課程中又如何得以落實？本課題組在多年的科技服務(wù)實踐和教學(xué)中得到了一些基本經(jīng)驗，該課程主要在以下幾個方面體現(xiàn)復(fù)雜工程問題。

1.PID算法的工程化及其編程處理。眾所周知，PID控制算法在絕大多數(shù)情況下都是非常實用的控制算法，但理想的PID算法難以適應(yīng)各種復(fù)雜的控制對象和控制要求，必須對其進行必要的工程化處理才具有工程適用性。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，這一部分內(nèi)容非常薄弱，學(xué)生很難理解PID算法在工程中究竟是如何作用于控制對象的。PID算法看似一個簡單的算式，但針對工程應(yīng)用就成為一個復(fù)雜問題，如何處理給定值、測量值、偏差、控制量、手/自動切換、控制補償?shù)葐栴}，在滿足工程控制中需要具體問題具體分析。

為了闡述PID算法工程化的復(fù)雜性和編程實現(xiàn)，在此僅以控制量處理為例來說明。理想PID的算法式非常簡單，位置式PID算法表達是如式（1）所示，用編程語言非常容易實現(xiàn)，只需要比例、積分、微分系數(shù)和當(dāng)前時刻及前兩個時刻的偏差就可以計算出來。

U■=U■+q■E■+q■E■ （1）

然而，工程中并不是這樣運用的，計算得到的控制量Uk需要進行必要的工程化處理才能適應(yīng)各種場合的控制需求，控制量工程化處理如圖1所示[6]。

在工程中，根據(jù)具體情況需要對控制量進行補償處理，補償有增加控制量、減小控制量、補償取代和不補償4種模式（各模式在工程中的意義和作用是不同的），由OCM決定；通過對OCV賦值來決定補償量大小。經(jīng)過補償后的控制量再經(jīng)過變化率限制，MR是限制控制量變化速度的控制量，是為了避免猛烈升降的沖擊影響，使生產(chǎn)過程操作平穩(wěn)，減小對執(zhí)行機構(gòu)的沖擊。輸出保持通過軟開關(guān)FH/NH控制，實現(xiàn)當(dāng)前時刻控制量Uc和前一時刻控制量Uk-1的選擇，在工程上的意義在于當(dāng)控制對象出現(xiàn)某種狀態(tài)時，需要維持以前的控制量，切斷新的控制輸出，以保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。安全輸出是實現(xiàn)控制系統(tǒng)的安全運行所必需的，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障時，軟開關(guān)FS/NS切向NS位置，控制輸出置于安全輸出量MS，切除正常的控制量，當(dāng)故障排除后將軟開關(guān)FS/NS切向FS位置，恢復(fù)正常運行。這些工程化措施在工程中是非常重要的，但這些內(nèi)容在教學(xué)中被輕視了，甚至被忽略了。

在PID控制算法工程化過程中需要許多變量，這些變量有浮點型的、整型的和布爾型的，這些類型變量在編程實現(xiàn)時如何圍繞PID工程化實現(xiàn)也是一個關(guān)鍵問題。以C語言編程實現(xiàn)為例，為了管理這些變量，定義一個結(jié)構(gòu)體，用結(jié)構(gòu)型變量進行管理，操作修改都十分方便，從而使算法表達式到程序之間實現(xiàn)了無縫連接，實際上自動化專業(yè)軟件WinCC就是這樣管理結(jié)構(gòu)型變量的。為了進一步結(jié)合工程實際，將當(dāng)今主流自動化系統(tǒng)中的PID算法（比如SIEMENS的PLC產(chǎn)品中的PID算法）納入課堂教學(xué)，從而將PID算法從理想到工程再到應(yīng)用，貫穿PID技術(shù)的主線。這個過程是一個典型的復(fù)雜問題處理過程，也是十足的工程實際問題。

2.過程通道的工程化處理。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，計算機控制的過程通道的內(nèi)容是最為困惑的，在很大程度上是微機接口技術(shù)的簡單擴充，以接口芯片與微機總線接口作為重點，接口編程編程語言還是以匯編語言實現(xiàn)，這顯然與工程實際相距甚遠，根本達不到工程應(yīng)用的目的。事實上，將過程通道技術(shù)從原理到工程應(yīng)用也是一個復(fù)雜的工程問題，接口技術(shù)已經(jīng)在自動化專業(yè)的前修課程《微機原理及應(yīng)用》中得以解決，在計算機控制系統(tǒng)課程應(yīng)上升到總線一級去分析與應(yīng)用。在基于ISA總線的過程板卡分析的基礎(chǔ)上過渡到基于PCI總線的過程板卡的分析與應(yīng)用，進一步上升到基于PCIe和PXI等當(dāng)今流行的總線板卡。另一方面，加強以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式過程通道的應(yīng)用教學(xué)。在過程通道應(yīng)用編程上主要以ActiveX控件、Labview、組態(tài)軟件等為平臺，與工程實際應(yīng)用實現(xiàn)無縫連接。在過程通道教學(xué)內(nèi)容中，充分融合信號調(diào)理技術(shù)、硬件抗干擾技術(shù)、硬件可靠性和安全技術(shù)等工程實際內(nèi)容，從而在硬件上形成完整的技術(shù)鏈條。

3.工程量轉(zhuǎn)換與標準數(shù)問題。實際應(yīng)用中的過程參數(shù)千差萬別，同一個系統(tǒng)中的大信號與小信號可能相差甚大，這個問題在計算機控制實踐中不處理會有什么不良后果，處理的方法是什么？理解這些問題對于初學(xué)者來說是具有挑戰(zhàn)性的，也是一個典型的復(fù)雜工程問題。

過程參數(shù)經(jīng)過傳感器及其變換電路轉(zhuǎn)換成標準的電壓或電流信號，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后與實際的物理參數(shù)的關(guān)系怎樣，這就是工程量的標度轉(zhuǎn)換問題。如果這種對應(yīng)關(guān)系是線性的則完全可以通過公式進行折算，但對于非線性嚴重且不能公式化處理又該如何進行，是采取實驗?zāi)Ｐ?、智能算法還是其他方法，對這個問題的透徹分析能為提高學(xué)生的工程實踐能力提供助力。

在控制系統(tǒng)中，可能存在一個信號大到成千上萬，而另一個信號則是百分級或者更小，兩者相差5—6個數(shù)量級以上，如果將兩個信號比較可能將小信號給忽略了，從而出錯，對于這個問題的復(fù)雜性要具體問題具體分析，通用的做法是將全部信號折算成標準數(shù)，即將所有工程量折算成0—1或0—100之間的無量綱標準數(shù)，消除大小信號之間的差異，避免在運算過程中出現(xiàn)粗大的取舍誤差。而作為控制量輸出也通常是0—100之間的數(shù)，代表執(zhí)行閥門的開度，但在具體輸出的數(shù)據(jù)顯然不能是0—100之間的數(shù)，而是要根據(jù)執(zhí)行器接收操縱信號的范圍和靈敏度大小，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率等改變實際輸出的數(shù)值。對這些問題的透徹分析能使學(xué)生明白很多工程問題。

（二）補強工業(yè)計算機內(nèi)容

計算機控制系統(tǒng)中的計算機稱為工業(yè)控制計算機（IPC），是計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)課程在這部分相對薄弱，僅僅對IPC的組成結(jié)構(gòu)及其特點進行了簡單介紹，不足以支撐工程應(yīng)用。在傳統(tǒng)教學(xué)中往往注重總線型工業(yè)計算機（IPC），這非常好理解，因為IPC很好兼容了普通商用計算機的軟硬件資源。PLC、嵌入式系統(tǒng)、智能調(diào)節(jié)器、DCS/FCS作為常用的工業(yè)控制裝置沒有很好融合到課程的教學(xué)中，當(dāng)然這些內(nèi)容可能會有獨立的課程來解決，但問題的關(guān)鍵是如何將其有機地連接到一個完整的計算機控制系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)課程的任務(wù)所在。為此，在內(nèi)容上以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶構(gòu)建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，從基礎(chǔ)的IPC+遠程I/O模塊，到IPC+PLC或IPC+RTU模式，再到以DCS/FCS為核心構(gòu)建大型計算機控制系統(tǒng)，形成梯度遞進的教學(xué)內(nèi)容，這種教學(xué)內(nèi)容的補充與增強符合當(dāng)今計算機控制潮流，因為在現(xiàn)實中幾乎不存在單機計算機控制系統(tǒng)，都是以網(wǎng)絡(luò)通信為核心的大型計算機控制系統(tǒng)，即使相對獨立的小型計算機控制也是大型系統(tǒng)的一部分。

（三）補充非技術(shù)性教學(xué)內(nèi)容

一個工程的成功應(yīng)用不僅僅是技術(shù)問題，也就是說要實現(xiàn)一個計算機控制系統(tǒng)，僅從技術(shù)上去思考問題是完全不夠的，有很多非技術(shù)因素影響著它的應(yīng)用，主要有以下幾個方面。

1.計算機控制與經(jīng)濟效益。計算機控制取代傳統(tǒng)控制，減少了人力成本和資源消耗，提高了生產(chǎn)效率，同時也能使產(chǎn)品的質(zhì)量得到穩(wěn)定和提高。經(jīng)濟效益該如何計算、計算機控制系統(tǒng)的建設(shè)投入與提質(zhì)增效的效益平衡等，這些因素在一個實際的計算機控制系統(tǒng)中去具體分析，要教會學(xué)生如何去分析這些問題，很顯然，這些問題并沒有唯一正確答案，而是各種因素相互制約的結(jié)果。在教學(xué)中補充少許技術(shù)經(jīng)濟內(nèi)容，強化學(xué)生的技術(shù)經(jīng)濟意識。

2.計算機控制與環(huán)境問題。如果實現(xiàn)一個計算機控制系統(tǒng)僅僅從經(jīng)濟效益去分析顯然是偏頗的，作為一個從事自動化的工程技術(shù)人員，必須清楚自己所實施的控制系統(tǒng)所承擔(dān)的社會與法律責(zé)任，必須符合工程倫理的要求。如果一個計算機控制系統(tǒng)不具有環(huán)境友好性，不符合社會行為規(guī)范，無論它有多么好的控制性能都不是一個成功的計算機控制系統(tǒng)。因此，在教學(xué)中必須強調(diào)工程師的社會倫理和社會責(zé)任意識。

3.非技術(shù)性教學(xué)內(nèi)容的處理實踐。我們在教學(xué)過程中處理非技術(shù)性內(nèi)容主要在兩個方面，一是計算機控制系統(tǒng)的性能分析上，傳統(tǒng)的做法是，分析計算機控制系統(tǒng)的性能主要從快速性、準確性、穩(wěn)定性和實時性去進行，這些都是非常重要的技術(shù)指標，如果再進一步則是分析它的通用性、環(huán)境適應(yīng)性和開放性等。為了更加充分體現(xiàn)工程性，緊密結(jié)合工程認證要求，將經(jīng)濟效益、環(huán)境意識補充到計算機控制系統(tǒng)的綜合性能中，通過案例分析使其更加豐富和具體。二是在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與案例分析部分，除了傳統(tǒng)的設(shè)計原則與方法、設(shè)計步驟與過程之外，補充經(jīng)濟預(yù)算、環(huán)境保護、設(shè)計規(guī)范、工程項目管理等內(nèi)容，通過工程案例具體分析。

（四）計算機控制系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范

工科專業(yè)是以解決各種工程技術(shù)應(yīng)用中技術(shù)和非技術(shù)問題為目標的，要做好工作就不能隨心所欲，必須遵守相關(guān)的規(guī)范，所謂“行有行規(guī)，不從規(guī)矩就不成方圓”，作為從事自動化工程的專業(yè)人員也需要遵從相應(yīng)的規(guī)范。傳統(tǒng)的教學(xué)中，規(guī)范教育是非常薄弱的，甚至在一門技術(shù)課程的教學(xué)中沒有關(guān)于行業(yè)規(guī)范的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生根本就不知道有規(guī)范來約束他的技術(shù)活動。技術(shù)標準是技術(shù)活動的“法律”，是質(zhì)量保證的基礎(chǔ)，是市場競爭的“游戲規(guī)則”。設(shè)計、安裝和管理一個計算機控制系統(tǒng)也有相關(guān)的技術(shù)標準，實施一個計算機控制系統(tǒng)項目就會涉及項目管理標準、自動化工程設(shè)計標準、電氣圖紙與符號標準、設(shè)備設(shè)施安裝標準、安全標準、工程驗收標準、技術(shù)文檔歸檔管理標準等。這些標準在課程教學(xué)實踐中是不可能完全細致地講解的，也沒有必要進行羅列，只要讓學(xué)生懂得在計算機控制領(lǐng)域主要有什么行業(yè)標準、國家標準和國際標準，這些標準規(guī)范了從事計算機控制領(lǐng)域的哪些具體活動，使學(xué)生建立初步的規(guī)范意識。在我們的教學(xué)實踐中用3—4學(xué)時就可完成該教學(xué)內(nèi)容，初步建立起學(xué)生自動化系統(tǒng)的規(guī)范意識。

四、自制實驗裝置

為了將該課程教學(xué)改革推向深入，做到貼近工程實際，本課題組自制了專門的實驗教學(xué)設(shè)備，開發(fā)了實驗實訓(xùn)項目。該實驗裝置具有通用的一階、二階系統(tǒng)以及溫度對象，過程信號有0—10V和4—20mA兩種形式，開關(guān)量輸出以固態(tài)繼電器形式輸出，與工程應(yīng)用標準一致。該實驗裝置能與研華PCI1711U板卡和ADAM4000系列模塊連接。實驗實訓(xùn)項目開發(fā)的軟件平臺有C++Builder、Labview和WinCC組態(tài)軟件幾種選擇，與工程應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)，實踐表明該實驗裝置在教學(xué)中對學(xué)生的工程實踐能力培養(yǎng)具有顯著的作用。

五、結(jié)語

工程教育認證是一個逐漸完善和不斷提高的過程，是一個持續(xù)改進的過程。我校自動化專業(yè)在人才培養(yǎng)的實踐中不斷完善人才培養(yǎng)方案，《計算機控制系統(tǒng)》作為該專業(yè)的核心課程之一，其課程內(nèi)容也在不斷調(diào)整與完善之中，自動化專業(yè)的《計算機控制系統(tǒng)》課程整合了《計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)》和《工業(yè)計算機系統(tǒng)》兩門課程，課程名稱改為《工業(yè)計算機控制系統(tǒng)》，強化了《計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)》的核心內(nèi)容，補充了《工業(yè)計算機系統(tǒng)》的關(guān)鍵內(nèi)容，融合了控制軟件技術(shù)、計算機控制系統(tǒng)規(guī)范、工程與環(huán)境等內(nèi)容。三年多來，我校自動化專業(yè)在課程教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)方法和手段、實驗教學(xué)內(nèi)容等方面的配套改革的保證基礎(chǔ)上，取得良好效果。

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