“過程控制儀表及裝置”課程綜合仿真實驗設計與教學

王茜 李爍

[摘 要] 實驗教學是大學教學的重要組成部分，是理論知識與實踐的結合，如何突破傳統實驗教學的瓶頸，結合課程特點探索出高質量的實驗教學方法具有重要意義。針對“過程控制儀表及裝置”的課程內容及課程特點，在控制儀表及裝置的實驗中增加了基于Matlab的控制系統綜合仿真實驗。在教學方法上采用混合式教學方法，使學生成為學習活動的主體，有利于提高學生學習的主動性。通過以上實驗設計及混合式教學方法加深了學生對所學知識的理解，培養學生的綜合應用能力、創新能力及自主學習能力。

[關鍵詞] 實驗教學;控制系統;混合式教學;綜合仿真實驗

[基金項目] 2020年度杭州電子科技大學教育教學改革研究資助項目“注重學生能力培養及提升的‘過程控制儀表及裝置課程教學研究與實踐”（YBJG202083）;2016年度國家自然科學基金項目“執行器飽和系統的新型增益調度控制理論研究及其應用”（61503105）;2020年度杭州電子科技大學教育教學改革研究資助項目“基于‘翻轉課堂的‘工程復變函數與積分變換教學改革與實踐”（YBJG202078）

[作者簡介] 王 茜（1985—），女，吉林長春人，博士（后），杭州電子科技大學自動化學院副教授（通信作者），主要從事控制理論及教學研究;李 爍（1991—），女，江西撫州人，博士，杭州電子科技大學自動化學院講師，主要從事控制理論及教學研究。

[中圖分類號] G642 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）29-0129-04 ? ?[收稿日期] 2021-02-07

2015年10月國務院印發了《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案的通知》，通知中指出，培養拔尖創新人才。堅持立德樹人，突出人才培養的核心地位，著力培養具有歷史使命感和社會責任心，富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才。加強創新創業教育，大力推進個性化培養，全面提升學生的綜合素質、國際視野、科學精神和創業意識、創造能力。……完善質量保障體系，將學生成長成才作為出發點和落腳點，建立導向正確、科學有效、簡明清晰的評價體系，激勵學生刻苦學習、健康成長。人才培養是高校的根本使命，也是社會發展的內在要求。高校作為人才培養基地，承擔著知識傳授、能力培養、思想價值觀的樹立等重要使命，同時也是踐行社會主義核心價值觀的主陣地。習近平總書記指出“教育興則國家興，教育強則國家強。高等教育是一個國家發展水平和發展潛力的重要標志。今天，黨和國家事業發展對高等教育的需要，對科學知識和優秀人才的需要，比以往任何時候都更為迫切。”隨著科學技術的進步，特別是在互聯網、大數據、超級計算、區域鏈、腦科學等新理論技術發展的大環境下，高校人才培養模式也要與時俱進，做出新的調整，構建人才培養新模式。高校人才培養模式的改革勢在必行，迫在眉睫。實驗教學是大學教學的重要組成部分，是理論知識與實踐的結合，如何突破傳統實驗教學的瓶頸，結合課程特點探索出高質量的教學方法具有重要意義。

“過程控制儀表及裝置”是自動化專業的重要專業課，面向筆者所在院校自動化專業三年級學生講授，是一門偏技術應用的課程。本課程系統簡明地闡述過程控制與自動化儀表的概念體系、典型的過程檢測和控制儀表的工作原理和工作性能、常規控制方案的確定和分析等。通過本課程的學習可以使學生了解和掌握典型的過程檢測和控制儀表的工作原理和工作性能，并能根據生產過程的特點和控制要求，選用適當的自動化儀表或計算機，組成實用型過程控制系統，并使學生初步掌握系統工程設計的思想和方法。先修課程為電路原理、自動控制原理、高等數學。本課程實驗主要包括自動化儀表與系統認知實驗、氣動執行器實驗、差壓變送器實驗/流量計實驗、上水箱液位PID整定實驗等四個實驗。現有實驗存在的主要問題是：（1）實驗對于時間、地點、儀器設備的依賴性較強，學生需要在規定的時間和地點在規定的設備上按照實驗指導書的步驟完成實驗;（2）實驗過程一般由預習實驗指導書、完成實驗、提交實驗報告等三個環節，大多數學生是按部就班地根據實驗指導書的步驟完成實驗，學生學習的被動性較強。實驗教學方面存在的主要問題是以教師教授為主，學生被動接受知識。這種教授方式以教師為主導，教師就實驗中存在的共性問題進行講解。以教授為主的教學方式很容易變成“滿堂灌”“填鴨式”的課堂，導致課堂氣氛沉悶、學生學習積極性低。通過課堂調查，大部分學生對于如何利用所需知識設計控制系統，并給出仿真驗證是沒有明確思路的。但是，學生不想停留在只會做題，希望能利用所需的專業知識具體去設計控制系統并給出控制系統的性能分析。針對以上問題教師設計實驗內容時，需在原實驗內容的基礎上增加基于MATLAB的控制系統綜合仿真實驗，在教學方法上采用混合式教學方法。基于MATLAB的仿真實驗不受時間、地點、設備的限制，并且運用混合式教學方法，使學生成為學習活動的主體，有利于提高學生學習的主動性。同時，通過查閱資料，加深學生對所學知識的理解，培養學生的綜合應用能力、創新能力及自主學習能力。

一、基于MATLAB的綜合仿真實驗設計

實驗目的：學會應用MATLAB軟件對常規單閉環系統進行仿真分析。實驗設備：一臺裝有MATLAB軟件的計算機。實驗內容：針對給定的系統G（s）=■，設計狀態反饋控制器和帶狀態觀測器的狀態反饋控制器保證閉環系統是漸近穩定的。（1）應用MATLAB軟件進行仿真，畫出系統的狀態曲線圖及控制輸入曲線圖。并根據得到的仿真結果，對控制系統的性能進行分析。（2）當控制輸入有界的情況下，應如何調整控制方案。該部分內容，以小組為單位，通過課下調研及分析，給出控制方案或解決辦法。實驗原理：簡單控制系統一般由被控對象、執行器、控制器、檢測變送器等四個環節組成，如下圖所示。

控制規律是指控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間的關系。