控制過程課程實(shí)踐教學(xué)新模式

劉文定 燕 飛 陳鋒軍 王東林

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

控制過程課程實(shí)踐教學(xué)新模式

劉文定 燕 飛 陳鋒軍 王東林

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

針對過程控制系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，探討該課程的新教學(xué)模式，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理搭建，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，把學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力培養(yǎng)作為主線貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，充分挖掘?qū)W生的智力和潛能，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)能力的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生學(xué)有所得，把專業(yè)知識(shí)化為實(shí)實(shí)在在的專業(yè)技能，為其日后就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

過程控制；創(chuàng)新能力；實(shí)踐教學(xué)

在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是大學(xué)教育的核心任務(wù)，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)主要是通過課程結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理搭建來實(shí)現(xiàn)的。在自動(dòng)化專業(yè)課程的設(shè)置中,把學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力培養(yǎng)作為主線貫穿于專業(yè)課程教學(xué)模式、教學(xué)方式、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容等,可激發(fā)學(xué)生的求知欲，充分挖掘?qū)W生的潛力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力。特別是將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)科學(xué)、有效地結(jié)合為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式并有所突破，對探究學(xué)科領(lǐng)域更深層次的發(fā)展有所創(chuàng)新。

過程控制系統(tǒng)是我校自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，開設(shè)在大四第1學(xué)期，過程控制課程綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)（模擬電子、數(shù)字電子、自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制、控制系統(tǒng)仿真等）針對實(shí)際對象的多樣性、對象特性的難辨性、普遍存在滯后和耦合、特性往往具有非線性等諸多特點(diǎn)，提出多種有效合理的控制方案（單回路控制、串級(jí)控制、選擇性控制、比值控制、分程控制、計(jì)算機(jī)控制等）。探討該課程的新教學(xué)模式可加深理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。

1 創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式

我校過程控制系統(tǒng)課程40學(xué)時(shí)（理論講授28學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)、討論2學(xué)時(shí)），如何在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)將控制系統(tǒng)、不同控制方案、控制系統(tǒng)參數(shù)整定等內(nèi)容讓學(xué)生很好掌握并應(yīng)用到實(shí)踐系統(tǒng)是我們這幾年一直在考慮和實(shí)踐的。為此，我們組織教研組相關(guān)教師從相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)的銜接入手，精選授課內(nèi)容、突出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原理和基本方法，并輔助實(shí)踐內(nèi)容支撐相關(guān)理論知識(shí)、同時(shí)拓展學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。例如，過程控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的確定可以采用機(jī)理分析法和實(shí)驗(yàn)法，機(jī)理分析法對于一些系統(tǒng)工作原理清楚、容易用對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述的系統(tǒng)可以方便得到，但是在建立數(shù)學(xué)模型的時(shí)候通常要忽略掉一些次要因素、將系統(tǒng)的參數(shù)看成是定常的、集中參數(shù)的等，導(dǎo)致所建立的數(shù)學(xué)模型僅僅是實(shí)際系統(tǒng)的粗模型，有時(shí)可能無法真實(shí)描述實(shí)際系統(tǒng)的特性。特別是對一些過程控制系統(tǒng)的工作原理不是很清楚、有的無法用定理或定律來描述，提出問題讓學(xué)生首先自己考慮如何解決？如何對一個(gè)黑箱系統(tǒng)（完全不清楚系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)）或灰箱系統(tǒng)（對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分了解）應(yīng)用控制理論所學(xué)知識(shí)，典型輸入信號(hào)作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系作啟發(fā)引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出各種各樣的方案，同時(shí)將過程控制系統(tǒng)課堂所講內(nèi)容，被控對象特性的自平衡特性和無自平衡特性相結(jié)合引導(dǎo)學(xué)生首先分析系統(tǒng)的特性，給系統(tǒng)施加特定的輸入信號(hào)，采集輸出信號(hào)來獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。課堂教學(xué)中實(shí)時(shí)引出被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟煌覀兎殖蓭最?，對已?jīng)熟練掌握教學(xué)內(nèi)容且樂于創(chuàng)新、動(dòng)手能力強(qiáng)的同學(xué)要求針對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置，構(gòu)造被控對象的動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。包括如何選取實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析等。通過實(shí)驗(yàn)可以使這部分學(xué)生熟練掌握課堂所學(xué)被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測試原理，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采用不同控制方案分析系統(tǒng)特性的能力，有同學(xué)提出水箱液位平衡后，突增干擾信號(hào)作用點(diǎn)位置、干擾信號(hào)大小等對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測試是否有影響等問題。我們不急于回答，而是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)給出結(jié)果，同時(shí)鼓勵(lì)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析相結(jié)合，加深理論知識(shí)掌握，對學(xué)生畢業(yè)以后到實(shí)際工作中開展科學(xué)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。對部分學(xué)習(xí)能力較弱的同學(xué)我們采用個(gè)別輔導(dǎo)同時(shí)加部分給出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對一些關(guān)鍵的原理（如控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)、不同輸入信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)可以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型等）和實(shí)驗(yàn)步驟（測量傳感器如何接、響應(yīng)曲線的含義等），這部分學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)以后，回過頭再復(fù)習(xí)課堂所學(xué)過的知識(shí)可以彌補(bǔ)以前知識(shí)的缺失，同時(shí)增加了信心，為下一次實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。被控對象動(dòng)態(tài)特性測試的內(nèi)容在課程期末考試中85%的同學(xué)拿了滿分。另外，部分同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中涉及不同類型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立也采用過程控制課程中方法，做到學(xué)有所用。個(gè)性化自主研學(xué)，使學(xué)生對所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，輔助實(shí)踐利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不同層次的學(xué)生采用不同的方法，自己動(dòng)手探究實(shí)際系統(tǒng)的原因和規(guī)律，可以鞏固所學(xué)知識(shí)，同時(shí)引發(fā)學(xué)生濃厚的認(rèn)知興趣和強(qiáng)烈的求知欲望，鍛煉學(xué)生從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

過程控制系統(tǒng)涉及知識(shí)面廣、領(lǐng)域多，采用一般的理論教學(xué)方法很難達(dá)到良好的教學(xué)效果和知識(shí)傳授。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，迫切需要在教學(xué)過程中創(chuàng)新引入新的教學(xué)方法，有效增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主學(xué)習(xí)能力。Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，以解決非線性、時(shí)變系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)離散混合系統(tǒng)的模擬仿真，系統(tǒng)搭建方便、程序易編程、易拓展，為此，我們將Matlab仿真軟件與過程控制系統(tǒng)教學(xué)理論有機(jī)地結(jié)合，探討教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐教學(xué)的新模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段和方法的創(chuàng)新實(shí)踐，有效地解決課程的知識(shí)難點(diǎn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力。

例如，單回路控制系統(tǒng)如圖1所示，它由被控對象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器和測量變送器組成一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的給定量是某一定值，要求系統(tǒng)的被控制量能迅速克服干擾的影響到達(dá)穩(wěn)定值。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。

圖1 單回路控制系統(tǒng)方框圖

但是，單回路控制系統(tǒng)被控變量的選取、操作變量的選取對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)關(guān)系重大，課堂上重點(diǎn)從控制通道和干擾構(gòu)成的不同通道對系統(tǒng)的影響加以分析，得出選擇能直接反映過程產(chǎn)品又易于測量的參數(shù)作為被控變量（直接參數(shù)法）或選擇那些間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系，易于測量的參數(shù)作為被控變量（間接參數(shù)法）。從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中，選擇一個(gè)對被控變量影響顯著而且可控性能良好的輸入?yún)?shù)作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量看作系統(tǒng)的干擾，通過改變操縱變量去克服干擾的影響。理論講授學(xué)生感覺比較空洞難以理解，為此，我們開設(shè)單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，研究干擾對系統(tǒng)性能的影響，包括干擾通道的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)及純滯后對系統(tǒng)的影響。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，直接在實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行上述研究比較困難，為此，我們提出采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法讓學(xué)生先進(jìn)行分析，研究復(fù)雜的生產(chǎn)過程中多個(gè)干擾量，不同形式、不同大小的擾動(dòng)作用在系統(tǒng)中不同的位置所產(chǎn)生的靜差的問題，如圖2所示。

仿真結(jié)果如圖3所示。根據(jù)干擾作用點(diǎn)對調(diào)節(jié)質(zhì)量影響的分析，主要干擾施加點(diǎn)越靠近調(diào)節(jié)閥，控制質(zhì)量相對較高的原則，方案Ⅰ的干擾作用點(diǎn)與對象的輸入重合，調(diào)節(jié)作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案Ⅱ次之，方案Ⅲ最差。從控制的品質(zhì)這方面考慮，應(yīng)該選擇方案Ⅰ，即選擇乳液流量作為操作變量。但是，在選擇調(diào)節(jié)方案時(shí)，還得從工藝角度來考慮，方案Ⅰ并不是最有利的。但是物料流量是負(fù)荷。另外在乳液管線上裝了調(diào)節(jié)閥，容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，降低產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，綜合以上分析比較，選擇方案Ⅱ是比較好的，即采用旁路空氣作為操作變量。通過仿真實(shí)驗(yàn)對課堂上所講的干擾通道的放大系數(shù)Kf會(huì)影響干擾加在系統(tǒng)中的幅值。若系統(tǒng)是有差系統(tǒng),則干擾通道的放大系數(shù)愈大,系統(tǒng)的靜差也就愈大；如果干擾通道是一慣性環(huán)節(jié),時(shí)間常數(shù)為Tf,則階躍擾動(dòng)通過慣性環(huán)節(jié)后，其過渡過程的動(dòng)態(tài)分量被濾波而幅值變小。即時(shí)間常數(shù)Tf越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差就愈??；干擾通道中還會(huì)有純滯后環(huán)節(jié)，它使被調(diào)參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間滯后一個(gè)τ值，但不會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。這大大加深了學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解，對培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力有很大的幫助，同時(shí)，為今后實(shí)際系統(tǒng)的仿真分析設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 不同控制方案及擾動(dòng)作用控制效果

3 發(fā)揮學(xué)生主體作用，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

創(chuàng)新型人才必須具有創(chuàng)新型思維,而工科學(xué)生的創(chuàng)新能力依賴于實(shí)踐的鍛煉、實(shí)踐能力的培養(yǎng)。如何充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用,探究實(shí)踐創(chuàng)新模式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞枪た圃盒Ｅ囵B(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。

單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)、高精度、高效益的要求。為此，我們從隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)入手提出串級(jí)控制系統(tǒng)，圖4是串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主回路構(gòu)成定值控制，副回路構(gòu)成隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

課堂教學(xué)中我們講到串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡單控制系統(tǒng)多了一個(gè)副控制回路，但對系統(tǒng)的影響特別大。副回路的引入減小了對象的時(shí)間常數(shù)，改善了過程的動(dòng)態(tài)特性；提高了系統(tǒng)工作頻率，能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力；主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較強(qiáng)，系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。這大大激發(fā)了學(xué)生濃厚的認(rèn)知興趣和強(qiáng)烈的求知欲望，想通過親自動(dòng)手探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們安排了4小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，自己從實(shí)際系統(tǒng)提出存在問題并通過實(shí)驗(yàn)加以輔證、再從理論知識(shí)構(gòu)造新的控制方案、制定實(shí)驗(yàn)方案，教師在過程中不強(qiáng)求實(shí)驗(yàn)結(jié)果而重點(diǎn)鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新、提出一些思考問題如：串級(jí)控制系統(tǒng)為什么對主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）具有很強(qiáng)的抗擾能力？如果副對象的時(shí)間常數(shù)與主對象的時(shí)間常數(shù)大小接近時(shí)，二次擾動(dòng)對主控制量的影響是否仍很小，為什么？當(dāng)一次擾動(dòng)作用于主對象時(shí)，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比單回路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有何改進(jìn)？等問題引發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望，學(xué)生充分理解和掌握理論知識(shí)，綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、方法和步驟，培養(yǎng)解決和處理工程實(shí)際問題的能力。

4 結(jié)束語

理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理搭建，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，把學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力培養(yǎng)作為主線貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，充分挖掘?qū)W生的智力和潛能，培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生學(xué)有所得，把專業(yè)知識(shí)化為實(shí)實(shí)在在的專業(yè)技能，為其日后就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]王國強(qiáng).示范中心管理模式的探索與實(shí)踐[J].高等理科教育,2005，5:108～111

[2]吳才章.對自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的研究與實(shí)踐[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2010,6(1)：116～119

[3]劉文定，王東林.過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

Abstract:Aiming at the characteristics of process control system course,discusses this course of new teaching mode，Theory teaching and practice teaching scientific structure reasonable constructing, to optimize the teaching content, The students' innovative spirit and practice ability as mainline throughout the teaching process, fully excavate students' intelligence and potential, cultivating students' ability to gain knowledge and cultivate students' innovative abilities, make students learn, the professional knowledge into truly, truly professional skills, for their future employment and lay a solid foundation.

Key words: process control；innovation ability；practice teaching

Discusses the new practice teaching mode in the control process course

Liu wending, Yan Fei, Chen fengjun, Wang Donglin
Beijing forestry university, Beijing, 100083, China

2010-11-01

劉文定，碩士，教授。

北京林業(yè)大學(xué)教改課題資助項(xiàng)目。