“生產過程控制及應用”實踐課教學探討

劉成云

(山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250061)

“生產過程控制及應用”是我校為控制工程領域工程碩士研究生開設的一門專業實踐必修課。由于對工程碩士的培養目標側重于工程應用，因此不能采用本科生學習“過程控制系統”的教學模式。我們結合工程碩士側重于工程應用和實踐的特點，利用一套過程控制的A3000高級過程控制實驗系統為基礎，開展實踐深教學[1]。本文對該實踐課從實驗項目確定和教學方法改革進行了探索。

1 課程實驗項目的確定

過程控制通常是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數作為被控變量的生產過程的自動控制，它既需要專業基礎理，又需要論聯系實際[2]。對于工程碩士研究生來說，我們以過程控制系統的分析、設計和整定所需要的理論和方法為主線，以工業控制領域的實際需要為目標，利用實驗室配備的三套模擬工廠現場工業過程控制的A3000高級過程控制實驗系統(如圖1所示)，進行“生產過程控制及應用”的實踐課教學。對該課程提出的實驗項目，要求學生清楚原理、步驟及注意事項等，并最終能按照要求完成參數的調節，控制最后的穩定[3，4]。為此確定了如下六個實驗項目。

(1)了解A3000實驗系統的組成、組態軟件的認知及單容下水箱液位調節閥PID單回路控制;

(2)實現流量調節閥PID單回路控制及壓力變頻器PID單回路控制;

(3)實現下水箱液位和進口流量串級控制;

(4)實現下水箱液位前饋反饋控制;

(5)完成管道壓力和流量解耦控制系統實驗;

(6)完成模糊控制算法的研究。

圖1 A3000高級過程控制實驗系統結構圖

實驗項目中(1)和(2)是針對該系統設置的基本的實驗操作。學生要熟悉A3000過程控制實驗系統的架構，了解現場系統和控制系統各自的組成和操作，軟件系統的組成和編程。對這些基礎的實驗項目不僅會熟練操作，還要按照要求編寫控制程序和組態程序，完成參數調節，最后達到控制系統的穩定。

實驗項目(3)、(4)和(5)屬于復雜設計型，其難度較高，每次實驗需要的時間也很長。實驗項目(3)不僅要求學生學習閉環串級控制的原理，還要了解閉環串級控制的特點，掌握閉環串級控制的設計，尤其是主副參數的選擇和主副回路的設計;要求學生在實驗中經過參數調整，獲得最佳的控制效果，并通過干擾來驗證;而且學生還要通過抓圖的方法提交獲得的曲線，給出最佳串級控制參數并解釋如何調節串級控制;最后還讓他們思考分析液位流量串級控制和雙容液位串級控制的區別以及各自的優缺點。實驗項目(4)要求學生掌握前饋-反饋的特點，并掌握前饋—反饋控制的設計，給出實驗方案，利用設計報表每20分鐘記錄一組數據;并在記錄中顯示報警時間和報警限值，給出最佳控制參數，并思考前饋—反饋控制與串級控制的區別以及各自的優缺點。實驗項目(5)要求學生掌握解耦控制系統的設計，觀察流量的改變是否導致壓力的改變，并在解耦后對調節儀進行整定，觀察整定效果，記錄下全部數據;該實驗還要求學生思考如果在換熱器上設計解耦實驗。

實驗項目(6)是更復雜的創新型設計與研究。此類項目沒有現成的模式，完全取決于學生的自主創造性。學生可以充分利用實驗室的軟硬件資源確定實驗任務。該任務要求有一定的綜合性，和系統性、全面涉及到模糊控制相關理論知識。學生要學習模糊控制的原理，了解其特點，還要設計出對于鍋爐水泵控制系統的控制算法并在控制器中實現，然后調研論證并確定設計方案，最后進行系統測試并形成技術文件。整個過程在教師的監督指導下獨立完成。

2 課程教學方法的改革與探索

2.1 采用的項目教學法

項目教學法是教師將需要解決的問題或需要完成的任務以項目的形式提交給學生，在教師指導下，學生以個人或小組工作方式，按照實際工作的完整程序，制定計劃、共同或分工完成一個完整項目而進行的教學活動。“生產過程控別及應用”課程實踐教學要求采用項目教學法，讓每個學生都能積極參與到具體的實驗項目中去。

我們以實驗項目(3)下水箱液位和進口流量串級控制為例介紹教學法。實驗項目任務是設計一個串級控制器，學生確定工作步驟和程序，制定項目的實施計劃。利用現場模擬工廠過程控制的A3000實驗系統平臺進行操作，并利用上位機進行組態編程，調整參數的設置，獲得最佳的控制效果。

2.2 培養的工程意識及團隊精神

實驗室配備的A3000高級過程控制系統是具有真實情境的工業生產過程的現場模擬裝置，為生產過程控制實驗教學賦予更實際的工程意義，為學生提供完整、真實的問題背景。在觀察和操作過程對象時，學生自己完成系統硬件組態，有利于他們的知識融合、技術鍛煉、思維培養和探索創新，也促進了理論和工程的結合[5]。

在實驗實施的具體過程中，指導教師要發揮引導作用，要求小組成員以團隊協作精神來共同進行實驗操作，得出實驗結果。并一起應對實驗中可能出現的問題和困難。所以實驗項目的運行對學生協作精神的培養具有積極作用，對自動化專業工程碩士開設的“生產過程控制及應用”實踐課在工程應用中開展教學，為他們提供了工程體驗的機會。

2.3 教學形式改革

我們采用的教學形式主要是結合該實踐課的自身特點和具體的授課內容，全部安排在實驗室進行。我們針對實際裝置進行現場講解，輔以工業生產過程視頻、動畫和仿真等方式進行展示，并補充大量工程應用實例。我們將典型生產設備引入課程中，介紹工藝特點、分析動態特性，根據過程的動態特性和工藝要求提出各種控制方案并進行比較，選擇工程實施最優方案，避免學生盲目將控制理論套用到生產過程中[6]。

考慮到學時的限制和實際設置實驗項目的難度，我們學生的成績評定，要結合學生實驗教學完成的質量和在具體實驗過程中工作態度、協作能力和創新思維等表現給出，而不是單以實驗報告進行最終評定。

3 結語

本文根據“生產過程控制及應用”實踐技術課授課對象和自身的特點，就實驗項目確定、教學方法改革兩大方面進行了探索和研究。由淺入深、由基礎到復雜的實驗項目設置符合學生的思維規律，也能喚起對過去學習知識的記憶。再加上對教學方法的初次改革和嘗試有效提升了學生的實踐能力、創新能力和工程意識，也達到了對本領域工程碩士研究生的培養目標和要求。

[1]A3000過程控制實驗系統實驗指導書.北京:華晟高科教學儀器有限公司[M].2006

[2]潘煉，方康玲等著.過程控制與集散系統實驗教程[M].武漢:華中科技大學出版社，2007

[3]李正軍.計算機控制系統[M].北京:機械工業出版社，2007

[4]吳堅，趙英凱.計算機控制系統[M].武漢:武漢理工大學出版社，2002

[5]白政民，王武，葛瑜.自動化專業綜合性實驗模式探討[J].北京:實驗技術與管理，2010，27(8):64-166

[6]楊佳，許強，雷紹蘭，郭燕.“過程控制系統”課程教學及實驗改革探討[M].北京:中國電力教育，2010，10:125-126