专业硕士计算机控制教学案例库建设

摘  要：计算机控制课程是机械专业硕士机器人工程领域方向研究生的专业综合课。为提高学生计算机控制系统综合设计能力及创新水平，开展计算机控制课程案例库建设。在分析计算机控制课程本科硕士生教学现状基础上，提出知识点案例和综合案例两个层面构建案例库的方法，共设计12个教学案例，其中6个知识点案例由一个国家级项目分解衍生，涵盖系统结构、控制器、控制算法、I/0通道、人机接口和网络通信等计算机控制系统的全部内容；6个综合案例分别由企业产品开发或纵向科研课题提炼产生。该案例库建设以学生为中心，融合思政元素、信息化手段等，提高相关专业硕士解决复杂综合问题的能力及创新能力，为专业硕士课程案例库建设提供一种参考途径。

关键词：机械专业硕士；计算机控制；知识点案例库；综合案例库；机器人工程领域

中图分类号：G642.3      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）34-0084-05

Abstract： Computer Control is a professional comprehensive course for graduate students in the field of robot engineering. In order to improve students' comprehensive design ability and innovation level of computer control system， the construction of computer control course case base is carried out. Based on the analysis of the current teaching situation of undergraduate and master students in computer control course， this paper proposes the method of constructing case base from two levels of knowledge point cases and comprehensive cases. A total of 12 teaching cases were designed. The six knowledge point cases are derived from the decomposition of a national project， covering all the contents of computer control systems such as system structure， controller， control algorithm， I/O channel， man-machine interface and network communication. Six comprehensive cases were extracted from enterprise product development or longitudinal scientific research topics. The construction of this case base is student-centered， integrating ideological and political elements， information technology methods， etc.， which improves the ability of master students in related majors to solve complex comprehensive problems and innovate， and provides a reference for the construction of professional degree postgraduate courses case base.

Keywords： mechanical engineering professional degree postgraduate; Computer Control; knowledge point case base; comprehensive case base; robotics engineering field

专业学位硕士是具有扎实理论基础，并适应特定行业或职业实际工作需要的应用型高层次专门人才[1]。机械专业硕士分为机械工程、机器人工程、船舶工程等10多个专业领域。计算机控制是机器人工程领域的一门专业选修课，着眼于培养学生基于前沿的软硬件技术和先进控制算法解决复杂工程问题，这是一门涵盖最新科学技术的综合性课程[2]。

自动化专业、电气工程及其自动化专业、机器人工程专业等相关本科专业中，也可能包含计算机控制类课程，在教学中要注意本科与专业硕士的异同之处。目前本科生的计算机控制教学中，普遍分为系统组成、系统过程通道、抗干扰措施、经典控制理论和工业控制网络等几部分，在实际教学中内容偏陈旧，知识点比较割裂，不适合于培养高层次应用型人才需求[3-4]，在专业硕士的计算机控制课程教学中，要更多地体现前沿、综合、先进，使学生能通过掌握前沿技术理论解决复杂工程问题。

一  课程研究现状

案例教学法在专业学位硕士培养中发挥越来越大的作用，案例库建设可以提高研究生运用基础理论知识进行应用研究能力，拓宽研究生专业视野，促进交叉学科研究，提升研究生应用创新能力。

自从教育部发布关于加强专业学位研究生案例教学的意见文件后，专业硕士课程案例库如雨后春笋般涌现[5]，各省教育厅、高校颁布了专业硕士案例库建设方案，力度之大前所未有，中国专业学位案例中心也由财政部设立专项经费支持建设，探索并积累了案例建设的有益经验。但目前中国专业学位案例中心仅涵盖工商管理、会计、公共管理、法律、教育和临床医学等专业学位类别，还未涵盖机械、电子信息等广大工程类专硕。在具体实践中，一些学者已经开展了机械等8种专业学位类别专业领域课程案例库建设。李敏等[6]研究控制工程领域矩阵理论案例库建设，将案例分为三个等级开展。陈修龙等[7]针对机器人工程领域方向开展机器人技术案例库的建设研究。赵珊等[8]针对电子信息专业硕士机器学习教学案例库开展建设。针对计算机控制课程的教改研究有不少[9]，但关于计算机控制课程案例库建设的不多[10]，而且是面向本科生教学，这使得机器人工程专业硕士领域的计算机控制课程案例库建设意义重大。

目前计算机控制教学中还存在的问题主要有：一是教学案例知识点陈旧，有的器件、结构的内容是二三十年前的； 二是存在知识点和项目割裂情况，所讲解的各知识点比较分离，只见树木不见森林，学生不能形成系统观；三是计算机控制系统的应用案例因人而异，由于授课教师的变化，案例会产生不同，很多优秀典型的案例不能持续。

因此，为提高机器人工程领域专业硕士培养质量，充分发挥计算机控制课程作用，从具体知识点案例和综合案例两个层面构建案例库，充分发掘每个案例的课程思政元素，结合信息化手段，以学生为中心，开展计算机控制课程案例库建设。

二  案例库体系结构和具体内容

（一）  案例库体系结构

计算机控制课程是一门专业综合课，涵盖系统结构、软件、硬件、控制算法和网络通信等控制系统的全部内容，考虑课程的整体与部分统一、经典前沿结合，系统与部分兼顾原则，针对课程的控制器、人机接口、过程输入输出通道、工业网络、控制算法和系统结构六大块内容，设计6个知识点案例和6个综合案例，如图1所示。双馈风力发电控制系统结构、双馈风力发电系统控制器、双馈风电功率跟踪控制算法、双馈风电系统显示单元、风电系统AD采集和调理单元和智能新能源微网通信网络这6个知识点案例涵盖了计算机控制系统的六大组成部分，每个案例对应一部分内容，彼此相对独立，而多电机运动控制创新平台、基于OneNet有毒有害气体监测预警系统、漂浮式海上风力机桨距控制系统、光伏组件清洁机器人、磁导航AGV和消防无人机控制系统这6个案例为综合案例，每个案例涵盖课程内容的全部或大部分要点，基本包含了计算机控制系统的六大组成部分。

图1  计算机控制教学案例库体系结构

（二）  案例库内容要点

12个案例的主要内容概述如下。

案例1：双馈风力发电控制系统结构。

本案例通过双馈风力发电实验平台的讲解，使学生熟悉典型计算机控制系统整体结构。双馈电机的变速运行是通过励磁变频器在电机转子绕组中施加三相低频交流电实现的。双馈式风力发电实验平台采用一台变频调速三相异步电机带动一台双馈电机运行，异步电动机和双馈电机安装在同一个底座上，使用联轴器相连接，采用光绝对式电编码器测量电机实时转速，三相异步电机的控制采用变频器控制转速，用以模拟风速的变化。机侧变流器采用DSP进行控制，采用TMS320F28335的DSP控制板和IPM电源板。本实验系统采用光电编码器采集发电机的转子位置和转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上，采用霍尔电压电流传感器采集直流侧和电网侧电压和电流信号，传感器量程根据系统容量进行选择安装，用户可以采用RCP进行模型控制。

案例2：双馈风力发电系统控制器。

通过双馈双向变流器中控制器的介绍学习，扩展出典型计算机控制系统中控制器类型、常用型号等，使得学生掌握计算机控制系统控制器的选型、设计方法等。双馈双向变流器中控制器使用TMS320F28335，其是32位浮点DSP，主频是150 MHz，方便电机控制、电力设备控制及工业控制等，其中FLASH、OPT ROM受口令保护，可以保护用户程序，其内部集成的PWM、QEP、SCI等资源方便系统控制，内部集成的FLASH方便固化程序，外部存储器接口方便外扩ADC，最大特点是其浮点计算能力，非常方便实现SVPWM算法。

案例3：双馈风电系统显示单元。

计算机控制系统显示单元有LCD、LED等各种型号，本案例通过双馈风电系统显示单元采用的12864C-1显示模块的讲解，一方面使得学生掌握其使用方法，另一方面使得学生清楚在计算机控制系统设计时显示部分的设计选型方法。12864C-1是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其显示分辨率为128×64， 内置8 192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面；可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。

案例4：风电系统AD采集和调理单元。

传感器与检测模块是计算机控制系统重要组成部分，通过本案例AD采集和调理电路学习，使得学生弄清楚传感器的作用，本案例以点带面，在介绍本案例具体传感器功能及使用方法的同时，会引入常用传感器类型及使用方法。风力发电仿真平台控制系统主要由励磁变频器和双向变流器组成，二者正常工作的最基本条件是对各类模拟量精确采集。本功能单元涉及的有片内12位AD、交流互感器SPT204、霍尔传感器、温度传感器TMP37，此外，两个并联200欧姆的电阻到地，因此电压值为I×100（设定传感器流出电流值为I），然后经过RC滤波电路，目的就是滤掉高频干扰信号，后面连接运放管脚，将此信号进行放大或者跟随，然后运放输出信号经过核心板的加法电路，将电压调制DSP的ADC允许的范围。

案例5：智能新能源微网通信网络。

通信网络是大型计算机控制系统至关重要的一环，目前主要通信方式包括UART、Ethernet、USB、CAN和RS485等，F28335内部集成了UART和CAN。常见的工业通信方式大都选择RS485，因为其差分信号传输形式，不但抗干扰能力强，传输距离也远。同时还考虑波形采集的高速传输，因此Ethernet不可替代。通过本案例学习，学生掌握通信功能在计算机控制系统中的地位，熟悉常用通信方式。本平台主要的通信方式采用RS485和Ethernet，由于RS485为半双工模式，所以485芯片都有方向控制引脚，即控制接收或者发送两种状态。网口采用W5300，其内部集成了标准的TCP/IP协议，用户只需通过总线即可通信。

案例6：双馈风电功率跟踪控制算法。