以工程案例开发推进微机控制技术课程改革

谭兴国

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454003）

以工程案例开发推进微机控制技术课程改革

谭兴国

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454003）

针对目前教学课程中各环节知识联系学习不够、实践教学资源不足、理论教学与科研工程应用脱节的问题，该文在实际工程案例的原型基础上，开展了通过系列案例教学培养高素质应用型人才的课程教学改革探索。以开发新型案例教学为契机，设计了以恒压供水控制系统工程应用为核心的教学案例，对教学内容和实践环节进行了改革探索。实践提高了学生的学习兴趣，同时开放的控制系统也提高了学生自主和创新学习的能力。

案例设计；恒压供水控制系统；微机控制技术；PID教学

微机控制技术是电气信息类专业的一门重要专业课程，课程重在面向工程应用，教学内容注重实践性和综合性［1-2］。

1）综合性强，要求教师的综合素质高。

随着微型计算机技术和信息技术的发展，微机控制技术融合了各学科的技术特点，结合了单片机技术、可编程控制、传感检测技术、伺服驱动技术、现场总线技术、自动控制理论等多门学科，融汇成一门综合性技术学科［3］。课程的综合性较强，同一个问题可以采用多种不同的解决方案，且课程内容的更新速度和知识变化较快，对教师的综合素质要求较高。

2）课程的教学内容较多，强调知识的综合应用。

微机控制技术课程的主要内容包括接口技术、检测与控制通道、常用控制算法、系统设计等内容。通过前期课程学习，学生已经具备了一定的基本知识，但仍然缺乏面对工程需求，将各类知识综合应用，进而形成合理的控制方案的本领［4］。因此教师在理论知识和实践环节的教学过程中，应注意强调工程应用技术的系统性特点，以项目为契机，将各单元知识串联起来，培养学习思考问题，应用所需知识系统解决问题的能力［5］。

3）课程的实践特征突出，理论与实践联系紧密。

微机控制技术主要以各种类型的微型计算机为核心，通过实时检测工业现场的各类状态参量和信号，在自动控制原理等先进理论和算法的支持下，对工业对象实施智能控制。因此课程教学面向工业现场，实践特征突出。由于工业现场环境多种多样，在控制的过程中，还需要将各类算法，如pID算法、大林算法、最少拍控制算法等理论知识与实际的工业对象紧密结合，才能完成设计需求。将理论与实际算法怎么才能有机结合，是学生感到比较困难的地方，需要在教学过程中予以合理的引导［6-7］。

1 微控课程的教学改革要求

从以上的分析可以看出，微机类课程的教学理论与实践结合较为紧密。随着当前教学内容的调整与改革，课程的教学课时相对在减少，实验学时更短。如何在有效的学时内，提高学生的动手能力、理论与实践相结合的能力以及综合应用、创新开发的能力，是本文探讨的课题。

把微机应用领域相应的科研工程项目转化为教学实用案例是促进微机控制技术实验教学改革的重要措施［8-9］。课程的教学内容，应重点考虑信号测量、输出控制、计算机控制算法、程序设计、系统组成等。我们开发了水塔水位控制系统、PID闭环恒压供水装置、啤酒灌装生产线控制系统等教学案例，并尝试将案例装置小型化，进而直接进课堂，体现微型计算机技术的最新发展动态，更加注重实验内容的丰富性、系统性和科学性。改变过去以演示和验证为主要特征的单一教学方法，增加了师生互动环节，有利于学生发现问题，并提出多种不同的实验方案，极大地促进了学生创新能力的培养。

2 恒压供水系统教学案例设计

2.1 系统组成

闭环恒压控制在生活中应用广泛，此案例来自我们承担的农村水厂恒压供水控制系统项目。为使该案例更适合课程教学的需要，需对水厂控制系统的项目实施了简化和改进，以更好地满足课堂教学的需求。如将水厂的交流变频加压泵，改变为采用PWM控制的直流加压泵，更便于学生理解输出驱动方式。

该项目的主要组成如图1所示。该恒压控制系统主要由STM32微处理器组成的主控单元、电机驱动系统、加压系统、压力变送系统、人机交互系统等部分构成。压力变送系统实时检测水管管道压力，压力变送系统由压力传感器和信号变送两部分组成，负责将压强信号变换成电压信号。其中压力变送器采用基于MEMS技术的MD-PSG010S压力传感器，在5 V激励电压1 mA激励电流下，该传感器将0～40 kPa范围的压力对应转换成0～65 mV的电信号。由于MD-PSG010S压力传感器是利用惠斯通电桥实现压力量到电压量的转变并且输出的信号较弱，这就要求放大电路具有较高的共模抑制比和高增益，为此采用由3个MAXIM OP07组成的差动输入仪表放大电路，最终输出0～3.3V的模拟电压，再送入STM32的ADC模块，转化为相应的数字量。这里没有采用集成数字压力变送器，目的是与课程中的I/O接口电路内容相对应。

图1 闭环恒压控制系统组成

中央处理芯片使用PID控制算法，根据水压预设值和水压变送系统测量的实时水压数据进行算法处理，产生驱动pWM信号。为了使输出压力可控，本系统增加了加压设备，加压设备选用微型齿轮泵。增压部件采用减速增矩的结构，采用DC12 V直流有刷电机驱动，具有小体积高压力的特点。由于控制系统CPU无法直接驱动增压设备中的直流电机，在单片机pWM输出与直流电机之间增加由L298N芯片构成的驱动电路，可满足加压设备12 V的额定电压，1.2 A的最大电流的驱动要求。加压设备在驱动电机控制下，稳定供水系统的水压，此部分是硬件设计的核心。

系统的人机交互系统主要采用TFT320X240 LCD液晶屏，使用CPU的FSMC功能提高刷新速度，数据的更改和界面的显示使用UCGUI图像显示系统，能够方便、直观、实时地显示系统工作情况。

以上几部分内容以模块化的形式呈现，分别对应着微机控制技术中的信号采集与变送、输入与输出接口技术、人机交互技术、上下位机通信技术、输出变送技术、闭环PID运算、软件编程技术。由于是模块化的设计思路，每种模块都可以采用不同的思路实现。如控制器可采用单片机、PLC、微型计算机等，压力变送器可以采用数字式、模拟变送式等，从而开拓学生的思路和创新能力。

2.2 工程案例在教学环节中的应用

2.2.1 根据学科发展动态设计实验教程

在压力检测和变送环节中，教师不局限于常规的教学和实验内容，鼓励和引导学生了解传感器发展的最新前沿动态，鼓励学生查找资料，自己设计压力检测和变送方案。学生提出了很多种检测手段，如4～20 mA压力变送处理方案、数字量输出的压力变送方案、毫安级输出电压变送加仪表放大器处理方案等。极大地激发了学生的学习兴趣，既提高了学生检索文献和整理文献的能力，又提升了学生的动手能力。

2.2.2 以学生为主的引导教学方法

应注重教学过程中的引导，并给予学生思考的空间。如数字PID控制过程中，学生对PID运算中的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间Td对系统的影响作用难以准确理解，教学过程中可以让学生充分讨论、布置仿真任务，通过Matlab等软件模拟这些参数的影响，先对系统有定性的理解，再通过实验的方法分析各参数的影响因素。整个实验过程中，应尽量突出学生的主体地位，充分发挥其积极性。学生基于该案例实测的单纯比例系数Kp作用下的输出压力控制效果，如图2所示。设定压力对应着数字量1 000，波动曲线为实测压力变化。

图2 纯比例下有静差震荡的调试界面

图3 减小Kp下震荡消失过程

比例系数在PID控制中的作用举足轻重，一般增大比例系数，将加快系统响应速度，在有静差控制中，有利于减小静差，但不能根本消除静差，且过大的比例系数会使系统产生超调，并产生振荡［10］。为了描述这种情况，恒压供水控制器采用有静差的纯比例p控制方式，图2中即描述了当比例系数过大时引起的系统振荡情况。图3分析了随着比例系数的减小，系统振荡消失，但仍将存在稳态误差的情形，且Kp越小，稳态误差越大。

PID控制中的积分环节却能起到消除系统静差的作用。图4为增加适合的积分系数后，系统稳态误差消失的控制过程。通过直观的现象，学生更容易理解积分环节的作用。在此基础上，可以进一步测量系统的动态响应，获取系统参数，或者采用试凑法得到PID控制的其他参数。如图5所示，为加入微分环节后，面对系统给定突变的扰动，PID控制器都可以很快地跟踪并予以响应，学生可更好地理解微分所起到的改善动态性能的效果。

图4 增加积分环节的控制效果

图5 加入微分环节系统动态性能测试

将此案例在PID理论讲解的同时予以演示，可以很好地将理论与实践相结合，对学生掌握相对抽象的理论与实际系统相结合，起到了良好的教学效果。

2.2.3 鼓励案例的创新二次开发

以工程案例开发教学案例，还应该考虑一定的拓展性。如本例中，对于系统参数的调整，最初是采用键盘实现的。而采用触屏交互式操作的效果，则是学生在案例实验过程中，自行进行创新二次开发设计的。针对该闭环系统，除了PID闭环控制方法外，由于压力控制可以等效为一个惯性环节，还可以采用大林算法、最少拍系统，甚至智能控制领域中的模糊控制方法。在此实验装置基础上，鼓励学生应用新型算法，并予以额外加分奖励，对于学有余力的学生，也是一种较好的激励。学生以此为契机，参加大学生科研创新创业计划，取得了较好的成绩。

2.2.4 注意案例开发过程中的教师引导

在工程案例开发过程中，一定要注意教师自身的素质提升及引导作用。由于实际工程案例较为复杂，涉及的知识点较多，教师在讲述案例之前，应先行介绍项目需求及相关背景知识，将项目按照课程教学的关键技术分解成若干个子项目或模块。对于学生不曾接触过的知识可以适当补充或者引导学生查找资料。在案例进行实验的过程中，对学生进行合理分组，并制定计划，提出合适的考核目标和考核方法，使工程案例发挥其最大效用。

3 结束语

将实践工程项目引入微机控制技术的教学案例进程中，促进理论与实践的有效结合，可以有效提升学生的学习兴趣，改善理论知识和实践教学的效果。案例引入，既将实际工程的最新发展动态介绍给了学生，又使学生更加深入地了解实际工程需求，对于专业知识也有更深的理解，有助于学生更好地适应未来的工作要求。版社，2010.

［1］汤平，刘昭琴.科研项目转化为高职微机控制技术课程教学项目的研究与实践［J］.电子制作，2014（6）: 120-121.

［2］李春叶，秦文萍.培养学生创新能力的微机控制技术实验教学研究［J］.中国电力教育，2011（7）: 141-142.

［3］刘勇，蒋祥龙，段莉.微机控制技术教学探讨［J］.数字技术与应用，2010（6）:108.

［4］王淑青，雷桂斌，田秀云，等.非自动化专业少学时《微机控制技术》的教学探索［J］.科技信息，2011（35）:4.

［5］李杰.案例教学法在机械制造基础课程教学中的应用研究［J］.制造业自动化，2012，34（11）:153-156.

［6］陶平.以工程案例教学促进机械工程知识的建构——以机械设计课程教学为例［J］.高教论坛，2015（4）: 24-26.

［7］于克强，陈国辉，刘秀莲.工程案例教学在机械设计教学中的应用［J］.中国电力教育，2013（7）:80-81.

［8］吴宏岐，李晓斌，王亚云，等.《电气控制及PLC》课程工程案例教学方法研究与实践［J］.大学教育，2013（19）:70-71.

［9］文成，周传德.工程案例法在“机械工程测试技术”课程教学中的应用［J］.重庆科技学院学报（社会科学版），2012（21）:188-190.

［10］赖寿宏.微型计算机控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2008.

Computer Control Technology Curriculum Reform Promoted by Projects Case

TAN Xingguo
（College of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）

Computer control technology curriculum has strong practical and theoretical features，but in view of current teaching，it has many problems，such as knowledge link between different phases is not tight enough，lack of practice teaching resources，disconnection of theory teaching and research in engineering application.To solve these problems，based on practical engineering case prototype，this paper tried to carry out a series of case teaching reform so as to train high-quality applied talents.Based on a novel real project case，we designed a MCU based water supply control system as a teaching resource.Using this computer control system，we tried to reform the contents and practice technology in computer control technology curriculums，so as to improve students’interest in learning，while this open-source control system also helps to improve the students’independent learning ability and innovation ability.

case design；water supply system；microcomputer control technology；PID teaching

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.039

2015-06-22；修改日期：2015-12-28

大学生创新创业训练计划项目（201510460053）；河南理工大学“微机应用与控制教学团队”建设项目（20144401）。

谭兴国（1981-），男，博士，讲师，主要从事智能控制技术、电力电子与功率变换等方面的工作。