控制理論在化工儀表及自動化課程教學中的應用

王后能，卓旭升

(武漢工程大學 電氣信息學院， 湖北 武漢 430205)

化工生產過程中需要控制的主要物理量如壓力、流量、物位和溫度等操作參數，必須通過儀表的轉化才能進行顯示與控制[1]，所以，對于化學工程與工藝專業的學生，開設化工儀表及其自動化課程是非常有必要的。對各種儀表和自動化知識的掌握，以及對新式的控制理論的了解可以為他們可能進行的化工自動化的設計打下良好的基礎[2]。

在我校的本科培養方案中，化工儀表及自動化課程屬于化工與制藥學院相關專業的專業基礎課，先修課程一般只有電工電子技術，這就對授課提出了更高的要求：即能用通俗易懂的語言通過工業控制系統中的真實案例將生硬的控制原理娓娓道來。

本人從2010年開始一直主講這門課程，下面針對這幾屆教學過程中的積累和發現來進行歸納總結。

1 課程特點分析

我校開設化工儀表及自動化課程的主要專業有化學工程與工藝、侯氏實驗班、精細化工、化工過程管理、能源化學工程、化學工程與工藝卓越工程師班和化學工程與工藝中外交流班等。由于面向的授課對象有的開設有電工學或者電工電子課程，有的專業卻沒有開設電工相關課程。所以，相對來說，數學性更強的內容不宜在教學內容中體現更多，即應該更多的采用工程實例來直觀易懂的介紹自動控制原理及儀表應用相關的內容[3]。

化工儀表及自動化課程涉及電路、電子技術基礎、電機、微機原理、單片機、自動控制原理、可編程控制器、計算機以及儀器儀表等學科內容，是一門多學科交叉的綜合性課程。課程特點是內容比較多、知識面比較廣[4]。該課程從自動控制系統的基本概念入手，系統地講述構成自動控制系統的各個基本環節，包括被控對象、測量元件及變送器[5]、顯示儀表、自動控制儀表、執行器等；以及簡單控制系統、復雜控制系統、新型控制系統與計算機控制系統；最后結合化工生產過程講述幾種典型化工單元操作的控制方案。

通過對本課程的學習，使學生掌握基本的自動控制方面的知識[6]；通過對常見熱工參數的測量原理、常規儀表的基本功能、自動控制系統基于微分方程的基本分析方法等有一個基本性的及系統性的了解，從而便于在生產實踐中能根據生產工藝及自動控制兩個方面的要求，為自動控制系統的設計提供合理的、準確的工藝條件及數據。

從教學課時來看，我校從2007級和2008級是36課時，2009級至2012級是32課時，2013級至今是24課時。所以就要求任課老師要根據教學課時的變化情況，及時進行教學內容的調整。并實時更新教學內容，將最新的化工自動化技術在課堂教學中有所體現，故而，控制理論的反饋、控制、系統的思想在整個化工儀表及自動化課程的教學過程中都有所體現。

2 教學過程模型分析

從控制理論的角度來看，任何一個控制系統包含被控對象、傳感器、控制器和執行器四大部分。構成閉環負反饋的控制系統框圖如圖1所示。

圖1 閉環負反饋的控制系統方框圖

其中的測量變送裝置獲取被控變量的值并反饋到輸入端與給定值進行比較得到偏差信號，干擾是指被控對象在運行過程中所受到的各種各樣的影響被控變量的信號。在任何一門課程的教學活動中，聽課的學生是教學的主體。學生在課程學習過程中會受到各種各樣的干擾。被控變量是教學效果，教學效果要通過各種考試和考查方式檢測出來，給定值就是教學目的或者教學期望。控制器就是教師在對學生的了解基礎上擬采用的教學措施，而執行器就是具體的教學手段和方法。其中的偏差就是指學生的掌握情況與教學期間之間的差值。因而，整個課程的教學考核過程可以用下面的閉環負反饋控制系統方框圖來表示。

圖2 教學過程閉環負反饋控制方框圖

其中，對于教學期望，如果通過試卷考核，教務處一般要求教學期望在75分，試卷對教學內容的80%以上在考試或者考查過程中要有所體現。教案的制定是根據學生的基礎知識情況和教學目標之間的差距來綜合制定的。教學環節就是具體的教案的具體實施。

3 具體教學策略分析

總的來說，同學們對工業控制系統的儀器儀表比較感興趣，結合具體的實例的講解，效果較好，較容易讓學生留下深刻印象。教學內容、教學方法和成績評定是教學系統的幾個主要方面。下面分別從教材、教師、學生三個方面，給出具體的教學方法建議。

3.1 選用教材

教材方面，根據本校化工各專業的培養方案特點，我們選用了厲玉鳴教授主編的第五版化工儀表及自動化作為教材。該教材對控制理論的介紹通俗易懂，數學內容不是很高深，選取的例子也都比較簡單，而且與化工過程聯系非常緊密。同時，該教材也是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。

3.2 教師的主導地位要凸顯

作為教師，在開始教學前，先進行摸底調查，主要從不同專業教學大綱的課程安排，涉及機電課程的教學內容，同學們的掌握情況三方面進行了摸底調查。了解所帶班級學生對于關鍵基礎知識點的掌握情況，進而在教學過程中有側重點。特別是在教學學時從36減少到32，甚至24學時，相應的教案的調整幅度更要加大，側重點要更加明確，突出應用內容，理論分析理解為第一要務。

在整個教學過程中，教師的主導作用要凸顯，首先，授課前要明確指出教學目的和教學要求，相當于讓學生作為被控對象知道整個教學過程的期望值。

理論教學必須和實物展示結合起來，在介紹儀表的選型方面，做了重點介紹，把儀表選型和儀表的標定綜合對比講解，讓學生直觀理解。帶一些簡單的儀表到課程，讓同學們對儀表的各種銘牌有直接感官上的印象。在介紹執行器閥門的相關知識的時候，帶一些拆分的常開和常閉閥門進課堂，讓同學們直接觀察。

在介紹控制器方面，對于控制算法的實施，通過Matlab軟件結合組態王搭建過程控制虛擬仿真實驗平臺，通過視頻展示的方式，讓學生直接觀察控制器參數變化對被控對象輸入的影響。

3.3 加強教學過程管理

學生在學習過程中會受到各種干擾作用，教師個人的充分備課，對教學內容的滾瓜爛熟的同時，也要加強整個教學過程的管理。綜合考慮學生在課程學習過程中可能受到的干擾，然后采取相應的措施消除干擾的影響，這種方法在控制理論中稱之為前饋控制。圖3是教學過程前饋-反饋綜合控制的方框圖。

圖3 教學過程閉環前饋-反饋控制方框圖

開始講課前，對學生明確考核的方式為平時+期末的方式，其中課堂到課率作為平時成績的一部分，學生在正常學習中無故缺課累計超過授課總學時三分之一及以上或缺交作業累計達全部作業次數的三分之一及以上的，取消正常考核資格。這是教務處制定的最基本的要求，具體的比例每個老師可以根據各自的情況調整。但是，作為考核的基本條件，一定要再次明確的告訴學生，從而讓學生有緊迫感。

對平時成績進行量化管理，考勤幾次，作業幾次，每次的考勤和作業分別占多少比例，量化管理后，學生在參加期末考試之前都可以自己算出自己的平時成績，然后知道自己想最終總評達到多少，期末考試必須要拿到多少分才行。

教學前的基礎摸底，教學過程中通過點學生回答問題，布置作業檢測學生的掌握情況，期中教學小測驗等都是對教學過程的負反饋閉環控制系統的反復運用。經過這幾屆的試驗運行情況，效果很好。

4 實例分析

以化工儀表及自動化教學為例，具體來說明教師的主導作用的對教學過程加強管理的效果。為了更好的和學生溝通，第一次上課結束后，我讓同學們給我發封電子郵件，主題是學號和姓名，內容是班級和電話號碼，具體統計給出兩個評價指標：當天完成率、第一周完成率和最終完成率，分別統計如下：

表1 學生發送電子郵件情況統計表

其中對2009級和2010級我只是讓學生課后給我發郵件，并沒說該郵件作為一次考勤記錄，所以總體的完成率明顯偏低，而且兩年的比例變化不大。而針對2011級、2012級和2013級的學生，我明確說課后發郵件作為平時考勤之一，明顯完成率有很大提升，特別是2011級我帶的是班級是制藥和制劑專業，這是我們學校最強勢的兩個專業，明顯學生的自覺性和主動性很高。而2012級和2013級的學生完成率差別不大，但是要求了作為平時成績，所以雖然最終還是有幾位同學沒有給我發郵件，但是總體完成率還是不錯的。從這個例子也告訴我們期望或考核辦法在我們整個教學控制系統中起到了指揮棒的作用。教學過程中的各種措施都是圍繞這個指揮棒來開展的。

從考試成績來看，以2008級催化、精化、有機和制劑為例，催化精化兩個專業我在授課過程中前饋和反饋的教學法綜合運用，最終平均成績分別為81.92分和82.63分；而有機和制劑只采用反饋教學法，平均成績分別為71.57分和71.56分，總體來說前饋教學法的教學效果更加明顯。當然，綜合采用前饋-反饋教學法，作為教師的我們付出肯定要更多一些。

另外，作為教學過程中的主體，學生總是有一定的拖延癥，而作為教師要不斷的激勵，鼓動學生的積極主動性，盡管大學生的學習是以主動性學習為主，但是，面對不同的授課對象，了解授課對象的特征的基礎上，作為授課老師的我們要充分發揮主導作用，這樣才能讓整個教學過程輕松而又活躍，最終達到良好的教學效果。

[1] 麻曉霞.《化工儀表及自動化》課程教學內容與教學方法初探[J].廣州化工，2015，43(18)：164-165,190.

[2] 王壽武，馬衛星，史繼斌，趙躍強.《化工儀表及自動化》課程教學探討[J].創新與創業教育，2014，5(2)：111-113.

[3] 董相軍，張彩霞.素質教育視角下《化工儀表及自動控制技術》課程改革研究[J]. 山東化工，2014，43(1)：121-122，124.

[4] 厲玉鳴.化工儀表及自動化[M]. 北京：化學工業出版社，2013.

[5] 張俊杰.化工儀表及自動化現狀及問題研究[J].化工設計通訊，2016，42(2)：103-104.

[6] 肖新敏，祁志軍.制藥工程專業化工儀表及自動化專業課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2016，(47)：101-102.