過程控制及儀表課程教學方式改革研究

楊海勇

摘 要：過程控制及儀表是自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，是一門控制理論和工程實踐相結(jié)合的課程。為了進一步提高課程的教學效果，提升學生的應用能力，該文對課程的教學方式和實踐教學方案進行一些改革探討。主要采用項目導向法，引導學生明確學習目標，圍繞一個具體的項目進行探究式的學習；將MATLAB仿真全面引入理論教學和實驗教學中，提高了教學質(zhì)量。經(jīng)過兩年的教學改革實踐檢驗，學生的學習熱情明顯提高，操作能力加強，取得了較好的改革效果。

關(guān)鍵詞：過程控制 教學方式 項目導向法 MATLAB仿真

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0158-01

過程控制是自動化專業(yè)的一個重要方向，其應用面向化工、建材、鋼鐵、火力發(fā)電、制藥等許多現(xiàn)代化工業(yè)部門[1]。通過生產(chǎn)過程的自動化控制，使工業(yè)生產(chǎn)符合工藝流程，將一些關(guān)鍵參數(shù)如溫度、流量、壓力、液位等穩(wěn)定在工藝要求的給定值附近，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，使工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定地運行在最佳工況下。

過程控制及儀表課程是自動化專業(yè)的重要專業(yè)課，課程內(nèi)容較多，既要學習各種類型的過程控制系統(tǒng)，又要學習檢測儀表、控制儀表，還要熟悉必要的生產(chǎn)工藝和對象的動態(tài)特性。這些控制理論和技術(shù)讓學生感覺抽象，不容易深入理解。

為了使課程的理論教學變抽象為具體，使教學內(nèi)容形象生動，使教學目標清晰明確，需要我們在教學方式方面進行必要的改革。經(jīng)過近兩年的探索和實踐，特別是將MATLAB仿真全面引入課堂演示和實驗教學中，取得了明顯的效果，下面對具體的方法做些介紹。

1 教學方式的改革

1.1 項目導向法提高教學效果

以前理論課的教學基本是按教材目錄順序，分章節(jié)對各個知識點分別講授，大部分內(nèi)容學完后，才會出現(xiàn)具體的工業(yè)應用的例子。這種按部就班的講授常常給學生帶來一些疑惑，學生們在前期大部分學習時間里，都不能清醒認識所學的理論知識能在哪里具體應用，由于學習目標不明確，學習動力也不足，反而認為理論抽象，不好理解。

采用項目導向法可以較好的解決上述學習目標不明確的問題。

項目導向法主要圍繞一個具體的項目進行教學，使學生帶著實際的任務(wù)進行探究式的學習，所學習的知識點組合應用起來，可以完成這個項目。因為學習目標明確，能極大的調(diào)動學生的學習積極性，自然就能提高學習效果。當然，具體的項目要選好，實現(xiàn)項目的相關(guān)知識點和主體教學內(nèi)容大體符合。

經(jīng)過對教學內(nèi)容的權(quán)衡考查，決定選用鍋爐汽包水位的前饋—串級控制系統(tǒng)作為一個典型的工業(yè)項目，引導學生進行研究學習。因為這個項目需要用到的知識點正是教材中大部分章節(jié)的內(nèi)容。要克服汽包水位動態(tài)特性中“虛假水位”的影響，實現(xiàn)水位的精準控制，需要比較多種常規(guī)控制方案的優(yōu)劣，要分別學習單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋—反饋復合控制系統(tǒng)，然后選定前饋—串級控制方案。后續(xù)工程應用技術(shù)還包括調(diào)節(jié)閥的選取，調(diào)節(jié)器的正、反作用的設(shè)定，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等重要知識點。這樣，通過一個具體項目就能將很多教學內(nèi)容組織起來進行教學。

這就是項目導向法，先有項目應用，有任務(wù)，目標明確了再學習具體的知識點，經(jīng)過比較研究，尋找解決項目問題的方案或方法。

在實施項目導向法的教學過程中，可以明顯感到學生們對實際工業(yè)項目是很感興趣的，也樂于探求控制技術(shù)和控制方案，因此在學習具體知識點時積極主動，效率很高。

1.2 將MATLAB仿真演示引入理論教學

本課程的教學內(nèi)容中包括較多的理論和公式推導，按常規(guī)教學方法講解分析，花費時間較多，影響課堂效率。我們使用MATLAB軟件里的Simulink仿真工具，構(gòu)造仿真模型，針對目標知識點進行仿真演示，形象直觀的仿真結(jié)果有助于學生的理解記憶。

例如講解PID控制規(guī)律時，僅僅講述公式和特點，學生并不容易真正理解，也就不能靈活運用。對于這種重要知識點，再增加一些仿真演示就能幫助學生加深理解。可以構(gòu)造一個單回路控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型，選用仿真軟件集成的標準PID控制模塊，適當修改PID參數(shù)，運行仿真來演示純比例控制作用時，會有余差存在；再加入適當?shù)姆e分作用，可以消除余差。當然，還可以改變積分系數(shù)，讓學生注意觀察響應曲線振蕩幅度的大小，從而總結(jié)出積分作用的強弱對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

這些仿真演示不僅提高了學生的學習興趣，加深了對知識點的理解記憶，更提供了一種仿真研究方法，有利于后續(xù)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法的教學。

2 開發(fā)仿真實驗軟件，進行實驗教學的改革

過程控制及儀表是一門綜合性應用型的課程，對相應的實踐教學要給予充分的重視。

我校過程控制實驗室先后引進了4套THKGK-1過程控制實驗裝置，不僅能實現(xiàn)常規(guī)PID控制，還能實現(xiàn)單片機控制、計算機控制等多種控制方式。但這些實驗裝置價格昂貴，繼續(xù)大批量的購買并不現(xiàn)實，而參與實驗的學生人數(shù)眾多，為了增加學生實驗操作機會，考慮用MATLAB/Simulink開發(fā)過程控制實驗仿真軟件，這樣不增加實驗投入，使用已有機房就能開展實驗。由于計算機仿真技術(shù)能方便修改參數(shù)，并快速實現(xiàn)仿真，還能獲得比常規(guī)實驗裝置更好的實驗效果。

所開發(fā)的過程控制實驗仿真軟件包含6個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對應一個實驗項目，分別是單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋—反饋復合控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)。子系統(tǒng)內(nèi)是控制系統(tǒng)對應的Simulink仿真模型，其中控制器的PID參數(shù)可以按需要修改，即主要訓練PID參數(shù)整定的方法，使學生掌握參數(shù)整定的步驟和方法，增加操作經(jīng)驗。

將上述實驗仿真軟件投入教學運行后，每個學生都能參與實驗訓練，通過修改PID參數(shù)觀察相應的響應曲線，逐步提升控制質(zhì)量。這些仿真訓練能積累豐富的經(jīng)驗，再到實驗裝置平臺訓練時就感覺得心應手，整體實驗教學效果有了顯著的提高。

3 結(jié)語

以上是筆者在過程控制及儀表課程教學改革工作中的一些思考和探索。通過教學方式改革，讓學生明確學習目標，提高學習興趣，將MATLAB仿真全面融合于教學中，能起到事半功倍的效果。

參考文獻

[1] 邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 李國勇，程永強.計算機仿真技術(shù)與CAD[M].北京：電子工業(yè)出版，2012.endprint