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《計算機控制》技術是一門以控制理論為基礎，以數字控制技術為核心，綜合電子技術、微型控制器技術、計算機網絡技術，從而實現生產技術的精密化、生產設備的信息化、生產過程的自動化及機電控制系統的最佳化的專門學科。目前《計算機控制》課程作為自動化專業的專業課程在工科院校也已普遍開設，但由于該課程理論體系龐大、應用技術寬泛，實際的《計算機控制》課程包含的教學內容并不統一。針對這一情況，本文通過分析現有教材內容的不足，提出適合應用型工科院校本科教學的《計算機控制》課程體系。

一、現有教材內容分析

目前國內《計算機控制》課程教材數量很多，從“讀秀”網檢索書名《計算機控制》，能搜索到近千本相關圖書。這些教材依名稱大致可分為《計算機控制技術》、《計算機控制系統》、《微型計算機控制技術》等3類。縱觀上世紀90年代以來出版的代表性教材和規劃教材，《計算機控制》教材內容可明顯分為理論知識和應用技術2個部分。其中，理論知識部分內容相對統一，即包含線性離散系統的Z變換分析、數字控制器的模擬化設計、數字控制器的離散化設計、線性離散系統的離散狀態空間分析等4大部分，但各教材對于這些內容的取舍不盡相同，且各部分篇目名稱也不盡一致。應用技術部分內容雖然一般歸在“計算機控制系統的設計與實現”篇目下介紹，但內容卻很不統一。上述問題具體可歸納為以下幾點：（一）理論知識內容取舍不夠合理?！队嬎銠C控制》課程的理論內容基本承接自《自動控制原理》、《過程控制》和《現代控制理論》課程。具體說來，《自動控制原理》課程的“線性離散系統的分析與校正”是《計算機控制》課程的理論基礎知識，這部分內容在應用型工科院校本科《自動控制原理》課程教學中一般講授較少，所以，在《計算機控制》課程中應著重介紹，但現有《計算機控制》課程教材一般只介紹“Z變換及離散系統傳遞函數”部分，對于“離散系統頻域分析”介紹不多，這會造成知識結構缺失，是應該避免的[1，2]?！哆^程控制》課程中的PID控制和克服線性系統純滯后問題，在《計算機控制》課程中重新得到體現，其中“數字PID控制器”、“Smith預估控制”和“大林算法”等內容最為突出。從實現角度看，“數字PID控制器”和“Smith預估控制”屬于數字控制器的“模擬化設計”，“大林算法”則屬于數字控制器的“直接設計”。但有些教材過于強調《計算機控制》課程與《過程控制》課程的聯系，將《過程控制》課程中的“串級控制”、“前饋-反饋控制”等“解耦控制”等數字控制技術也納入《計算機控制》課程中，而限于篇幅，對這些內容的介紹與推導又不夠詳細，結果造成學生理解困難，不得要領[2]。其實，對于應用型工科院校能將“數字PID控制器”、“Smith預估控制”和“大林算法”掌握就足夠了，“串級控制”等內容有需要者可以自學，不必專門介紹?！冬F代控制理論》課程的“狀態空間模型與極點配置設計”內容在《計算機控制》課程中仍十分重要，離散系統的狀態空間模型分析與觀測器、控制器設計促進了現代控制理論的廣泛應用，所以，雖然這部分內容較難理解，但不可或缺。很多現有教材對這部分內容略而不談，這是很不應該的。隨著電子信息技術的飛速發展，以往難以實現的先進控制方法陸續在實踐中獲得應用，一些較先進控制規律，如“二次型最優控制”、“自校正控制”、“預測控制”、“模糊控制”，甚至“網絡控制”等數字設計也被寫進了教材[3，4]。這部分內容幾乎每一部分都曾是研究熱點，掌握該內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。但對于應用型工科院校學生而言，掌握這部分內容難度較大，且普遍興趣不高，從就業前景看，這部分內容與之關系也較疏遠。所以，這部分內容可以不必納入課程，相關內容可以移到其他課程做詳細介紹，如“模糊控制”可以歸入《智能控制》課程、“網絡控制”等可以歸入《先進控制理論》（選修）課程或專題講座。綜合上述，結合應用型工科院校特點，《計算機控制》課程的理論內容應力求“細而精”，避免“全而疏”。理論推導應盡可能詳細，即便是與前導課程中重復的內容，仍不要輕易省略，以免造成學生理解困難。（二）應用技術內容差異巨大?！队嬎銠C控制》課程的應用技術內容幾乎涵蓋了自動化專業所有應用領域。因應用涉及面太大，且技術更新較快，較早教材的應用技術部分已不適合現有教學[5]，但現有教材的應用技術內容差異卻十分突出。具體表現可歸納為以下幾點：1.《計算機控制》應用領域選擇不夠恰當做為一本容量有限的教材，不可能把所有《計算機控制》的應用領域內容都進行介紹，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課程沒有介紹或較少介紹的內容。但有些教材過于偏重微型控制器的應用，將PLC或單片機控制系統做為主要應用對象介紹。其實，這部分內容已經在微機原理或單片機課程中做過詳細介紹，沒有必要再重復說明。2.應用技術案例設計介紹不夠詳細大部分教材選擇“集散型控制系統”做為典型《計算機控制》應用案例，但對其《計算機控制》設計過程卻說明的不夠詳細。這部分內容在《過程控制》課程中有所涉及，基于理論內容的延續性，在《計算機控制》課程中也應進行詳細的介紹。“集散型控制系統”本身只會在大型或超大型工廠中應用，學生接觸條件有限。如果教材仍然泛泛介紹系統架構，或以實例說明代替設計過程，會令學生既不能深入了解應用技術，也認識不到理論知識在實踐中的具體應用，造成理論知識與應用知識的割裂。3.應用技術內容過于龐雜部分教材注意到了計算機控制新技術的應用與發展，將較為成熟的新技術，如組態軟件、現場總線、實時網絡控制等引進教材，這是值得肯定和學習的[1，3]。但這些內容有的與理論知識聯系不大（如組態軟件和現場總線），有的可以在其他課程中進行更為詳細的介紹（如實時網絡控制和現場總線），而且引入這些內容會讓應用技術的內容過于龐雜。有些教材應用技術內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用型工科院校學生學習。綜合上述，結合應用型工科院校特點，《計算機控制》課程的應用技術內容仍應力求“細而精”，通過一二個具體應用案例，將應用理論知識的工程設計技術展示給學生，會讓學生對《計算機控制》課程的學習有更生動的體會。（三）仿真分析介紹不足仿真分析是控制理論學習的重要組成部分，《計算機控制》也不例外?，F有《計算機控制》課程的仿真分析一般都放在課程實驗環節進行，由于《計算機控制》課程的理論知識相對理解較難，不及時跟進仿真分析，不利于知識點的掌握。但現有教材大多不涉及這部分內容，而是將這部分任務推給了配套的實驗課程或實驗指導書。即使有些教材辟出專門的仿真章節，仍不能滿足對相關知識點的覆蓋[3]。這種現象雖然和目前《計算機控制》課程實驗平臺單一、仿真實驗簡化有一定關系，但仍應該引起重視。

二、新的教學內容體系

針對上述問題，本文對《計算機控制》課程按“理論知識”、“應用技術知識”和“仿真分析”三部分安排教學內容，提出一種新的教學體系，具體如下：（一）理論知識部分。該部分仍以線性離散系統的Z變換分析、數字控制器的模擬化設計、數字控制器的離散化設計、線性離散系統的離散狀態空間分析等4大部分為主體。其中，“離散系統的Z變換分析”主要包括“Z變換”、“離散系統脈沖傳遞函數”、“離散系統穩定性分析”、“離散系統頻域特性分析”等，雖然內容較多，但因與《自動控制原理》課程重疊較大，可以安排較少學時；“數字控制器的模擬化設計”主要包括“數字PID”與“Smith預估控制”，該內容相對簡單，應安排較少學時；“數字控制器的離散化設計”主要包括“最少拍控制器設計”和“大林算法”，涉及內容代表性強，難度較大，應安排較多學時；“線性離散系統的離散狀態空間分析”包括“離散系統狀態空間模型”、“系統能控性與能觀性”、“極點配置觀測器設計”和“狀態不可測控制器設計”等，該內容難度最大，為了與《現代控制理論》課程銜接，所以，也應安排較多課時。教學過程中，教師對上述各部分的知識點均做詳細推導，4部分的課時比例大致為2：1：4：3，這與現有教材篇幅比例有明顯區別。（二）應用技術知識部分。該部分主要包括“計算機控制系統的設計”和“計算機控制系統的工程實現”2部分。其中，“計算機控制系統的設計”主要介紹計算機控制系統的硬件、軟件設計基本原則與方法；“計算機控制系統的工程實現”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控制任務），詳細介紹控制系統的計算機輔助設計過程，將理論知識在計算機控制任務設計中的具體應用展示出來，尤其要突出工程設計與理論計算之間的差異，并通過數字仿真，實現控制任務要求，從而掌握計算機輔助設計基本要領。該部分對于計算機控制實例的架構、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的數字控制器設計與實現。應用技術知識部分是本課程教學內容與現有教材的明顯區別之一。（三）仿真分析部分。該部分不設獨立章節，而是在理論知識每一章的最后和應用知識部分的案例中安排仿真分析環節，采用MATLAB軟件驗證該章節主要理論知識點和設計結果。在理論知識點中融入仿真分析，學生可以邊學習邊仿真，加深知識點的理解，同時掌握仿真分析軟件相關操作技巧。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量。理論知識仿真分析不占用教學課時，而是要求學生自學；應用知識部分的案例仿真則需要授課教學。仿真分析部分是本課程教學內容與現有教材的另一主要區別。以上3部分教學內容課時比例為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容，而是突出重點，使學生在盡可能少的課時里掌握盡可能全面的知識點。

三、教學實踐

在相關教學改革政策的推動下，2017-2019年我們按上述思想對《計算機控制》課程進行了改革。對本校自動化本科專業的《計算機控制》課程，將原計劃的48學時調整為40學時（不含實驗）。按上述教學體系授課，并通過實驗課程、課程設計等實踐課程強化，結果表明，學生普遍掌握了《計算機控制》基本理論和設計步驟，部分學生具備了基本的工程設計技能。另外，通過Likert量表問卷調查，統計結果表明，學生對該教學體系滿意度達92%，比采用舊教學方法的滿意率高出15個百分點，這表明本文的課程體系可以有效提高《計算機控制》課程教學質量。

四、結束語

《計算機控制》課程具有理論內容多、知識交叉性強、技術更新快的特點。本文通過對現有《計算機控制》課程教材內容的分析，提出了新的教學內容調整方案。本文提出的課程體系包含理論知識、應用技術知識和仿真分析等3個部分，其中，仿真分析融入理論知識和應用技術知識之中。通過教學驗證，該課程教學內容體系可以有效提高《計算機控制》課程教學質量。該課程體系存在的不足之處有待在今后的教學中繼續改進。

參考文獻：

[1]丁建強，任曉，盧亞平.計算機控制技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，2012.

[2]陳紅衛.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2018.

[3]劉建昌.計算機控制系統（第2版）[M].北京：科學出版社，2016.

[4]何克忠，李偉.計算機控制系統[M].北京：清華大學出版社，1998.

[5]謝劍英.微型計算機控制技術[M].北京：國防工業出版社，1991.

作者:郭廣頌 劉妍潔 何琳琳 單位:鄭州航空工業管理學院