改革過程控制系統課程 提高學生應用能力

李天華，施國英，侯加林

(山東農業大學 機械與電子工程學院，山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安271018)

0 引 言

過程控制系統的研究對象往往是具體生產流程中的鍋爐、反應器、熱交換器、蒸餾塔等大型設備。其實驗平臺通常是對工業生產流程的縮微，希望能在有限的空間中包含更多的對象以達到滿足實驗教學的要求，這使得實驗設備本身的造價很高，限制了高校實驗設備的購買量。因此，現在大部分高校在過程控制系統實驗教學中都是多名學生共用一個實驗臺，許多學生只能觀察其實驗過程和結果，無法做到自己動手進行實驗，改革過程控制系統實驗教學刻不容緩［1］。

1 教學改革的目標

針對過程控制系統這門課程理論性和實踐性都很強的特點，對教學方法做以下改進［2］:

(1)教學內容現代化。跟上時代的發展，介紹當今自動化儀表技術發展主流和該領域的新思想、新方法。將先進的檢測與控制儀表內容作為教學的基本內容，使他們具有較寬廣的知識面，較強的社會適應能力。

(2)教學方法科學化。徹底改變單一的知識傳授型教學模式，從以課堂灌輸式教學為主的模式轉變到以“啟發式、研討式、交互式、實踐式、自學式”等緊密結合的教學模式上來。同時在注重學生素質教育的同時，加強創新能力培養，注意學生個性發展要求，全面因材施教，使“知識、能力、素質”教育協調發展［3，12］。

(3)教學手段現代化。用先進的教學軟件將抽象的課程內容變成直觀具體的形式展現，學生便于學習與領會，激發學生學習的積極性和主動性［4］。

(4)教學大綱設置合理化。過去資金缺乏無實驗設備只能純理論教學，現在更改為理論學時不變(45學時)，實驗學時增加為9 學時，更增加了過程控制系統課程設計，使學生真正有機會將所學知識融會貫通。

2 改革教學方法，注重能力培養

過程控制系統是專業的核心課程，內容繁雜，既有理論性較強的自動控制理論，又有實用性較強的檢測技術及其儀器儀表，還涉及先進的計算機控制技術，經過幾年的傳統教學方法實踐，發現學生在對理論知識的理解存在困難。并且本門課程安排在大四的上學期，很多同學忙于考研復習，不肯花過多的時間在晦澀難懂的課程上，故對本課程的多媒體教學課件進行重新制作，教學過程中引入許多工程性內容［5，13，15］，使內容更加生動形象便于理解，以此吸引同學們的興趣。

2.1 動畫圖形更加豐富

為了加深印象，幫助學生理解抽象的理論和概念，課件制作了一些圖片和動畫［6］，還添加了一些現場視頻。這樣一方面便于教師講述，另一方面可幫助學生直觀理解。例如，我們在講解過程控制系統設計及應用實例時，以油庫裝卸系統為例，將油庫裝卸的現場用動畫直觀的演示出來［7，11］，生動而形象地表達了工業生產過程。如圖1 所示。

圖1 動畫組態油庫裝卸系統現場

2.2 仿真軟件發揮作用

本課程的特點是運用控制理論對常見的過程控制系統加以論證，進行必要的定量或定性分析。為了讓學生更容易理解所學習的內容，我們在課堂上用數學模型代替實際的控制系統，以Matlab 軟件為工具，對控制系統進行實驗和研究［8-9］。

例如，已知一個單位負反饋系統為:

試繪制該系統當k 分別為1.4，2.25，3.5 時的單位階躍給定響應曲線。

Matlab 程序代碼如下:

執行程序后，得到如圖2 所示標注有其對應參數的3 條單位階躍響應曲線。由曲線可以看出，當k =1.4 時，階躍響應衰減振蕩，系統穩定;當k =2.25 時，響應等幅振蕩，系統臨界穩定;當k=3.5 時，響應振蕩發散，系統不穩定。

圖2 單位負反饋系統的三條階躍響應曲線

3 改革實驗教學體系，提高學生應用能力

我們學校的過程控制實驗室有6 套天煌教儀制造的THKGK-1 型過程控制實驗裝置，能夠開設本課程的全部實驗。我們對實驗內容進行了優化整合，采用驗證性實驗和綜合性設計性實驗相結合的實驗方法，把一些前沿的自動技術轉化為學生的實驗內容。并采取改革實驗項目和開放實驗教學兩種方法對實驗環節進行了改革，取得了一定的效果。

3.1 改革實驗項目

將實驗項目分為驗證性實驗和設計性實驗。驗證性實驗幫助學生掌握基本的理論知識，訓練基本的實踐能力。設計性實驗重在培養學生自主性和創造性。

3.1.1 演示及驗證性實驗項目

驗證性實驗項目，使學生能夠對整個過程控制儀器裝置有一定了解，掌握基本的過程控制理論。我們用3 學時做單容水箱特性的測試和鍋爐內膽特性測試兩個驗證性實驗，以學習測定被控對象特性的方法。

3.1.2 設計性實驗項目

由于實際的實驗裝置臺數相對較少，并且價格昂貴，為了能減少對設備的損壞，同時也為了讓所有的學生都能對課堂學習的知識有更深的認識，所以先讓學生利用Matlab 進行仿真實驗，確定自己設置的參數可行后再到實驗臺上進行正式實驗。由于實驗學時的限制，設計性實驗做3 個，每個實驗占2 學時。

(1)單回路控制系統實驗。①雙容水箱液位定值控制系統，②鍋爐內膽動態水溫定值控制系統，③電動閥支路流量的定值控制系統;

(2)串級控制系統的實驗。①下水箱液位與電動調節閥支路流量的串級控制系統，②盤管出水口水溫與鍋爐內膽水溫的串級控制系統;

(3)比值控制系統實驗。①單閉環流量比值控制系統，②雙閉環流量比值控制系統;

(4)前饋-反饋控制系統實驗。①鍋爐內膽水溫的前饋-反饋控制系統，②下水箱液位的前饋-反饋控制系統。

這些實驗內容由簡單到復雜，由特殊到一般，每個知識點下面都包含2 ～3 個實驗，學生從中選擇3 個實驗在課內來做。通過做設計性實驗，學生加深了對單個控制方案的理解，并為如何實現一個復雜控制系統的設計提供了方法。

3.2 開放實驗教學

我們對必修的過程控制系統課程設計給出一些題目［10，14］，比如液位控制系統綜合設計、鍋爐汽包溫度控制系統設計、過熱蒸汽溫度控制系統設計、跳汰機自動控制系統設計等。學生從中選擇一個題目，也可自己找合適的題目完成，此設計課程占1 學分。這些題目都是學生利用課余時間自己確定設計方案，先通過軟件仿真確定可行后，再進行系統測試，最終還要寫出設計報告。整個環節都是以學生為中心，教師只是起到輔助作用，讓學生在實驗中對過程控制系統的設計有一個完整、系統的掌握。

3.3 改革實驗教學的考核形式

改革后的考核形式更注重實驗教學的整個過程，成績由三環節組成:預習抽查、現場操作、實驗報告。重在操作過程，結合書面考察，全面評定總成績;平時成績考評貫穿于全學期的各個實驗之中，貫穿于每一個實驗的各個教學環節之中。具體成績分布如表1 所示。

表1 各實驗環節所占實驗課總成績比例%

4 “過程控制系統”教學改革效果

通過“過程控制系統”的課堂教學改革，使學生很好地理解和掌握各部分的知識，對和課程相關的一些基礎理論也有了全新的認識，培養了學生的工程概念和能力。通過實驗環節的改革，學生能夠將所學知識應用到工程實踐中，提高了動手能力，鍛煉了分析問題和解決問題的能力。通過本課程的教學改革，學生對控制系統的有關概念和環節有了更好的理解，掌握了基本的設計流程，在一定程度上可以幫助他們更好地完成有關工程設計工作。

［1］ 張運波.過程控制工程課程教學體系優化的研究與實踐［J］. 長春工程學院學報，2009，10(4):92-94.

［2］ 黃艷巖，徐紅偉，金英連.過程控制實驗課程教學改革實踐［J］.高校實驗室工作研究，2009(9):9-10.

［3］ 陳湘萍.過程控制工程實驗教學改革的探索與實踐［J］. 中國現代教育裝備，2010(7):85-86.

［4］ 劉 錄，孟 波.過程裝備與控制工程專業實踐教學改革的探索［J］.化工高等教育，2009(4):53-54，76.

［5］ 曹 瑩，李英道.過程控制實驗教學系統［J］.安徽電子信息職業技術學院學報，2007，33(6):111-112.

［6］ 單玉霞，徐兆軍.基于Flash 的《過程裝備控制技術及應用》教學課件開發［J］.化工高等教育，2009(5):88-90，99.

［7］ 侯思穎.組態軟件仿真在過程控制教學中的應用［J］. 高等教育研究，2010(6):82-83.

［8］ 降愛琴，郝秀芳. MATLAB 在“過程控制系統”教學中的應用［J］.電氣電子教學學報，2009(9):63-65.

［9］ 付立華. Matlab 在過程控制課程教學中的應用［J］.河南工程學院學報(自然科學版)，2010(3):73-76.

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［11］ 嚴 軍.組態軟件及過程控制系統在實驗教學中的應用［J］. 實驗室科學，2010，13(2):14-15.

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［13］ 陳愛萍，童水光.過程裝備與控制工程專業教學與實踐［J］.化工高等教育，2007，94(2):27-28.

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