“過程控制系統(tǒng)”綜合教學(xué)改革探索與設(shè)計(jì)

摘要：從理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對該課程進(jìn)行綜合性改革，理論方面增加了大量圖形及科研生產(chǎn)緊密結(jié)合的實(shí)際例子；實(shí)驗(yàn)方面重新設(shè)計(jì)了分布式控制系統(tǒng)以替代原有孤島式系統(tǒng)并對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展。課程的改革，滿足了理論與實(shí)驗(yàn)課程的要求，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了他們的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：過程控制系統(tǒng)；綜合性教學(xué)；DCS

作者簡介：楊光祥（1973-），男，重慶人，重慶工商大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，副教授；曹曉莉（1970-），女，重慶人，重慶工商大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，教授。（重慶400067）

基金項(xiàng)目：本文系重慶市工商大學(xué)教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11325）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）13-0067-01

一、“過程控制課程”概述

“過程控制”是一門與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系十分密切的課程，是大多數(shù)自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)的專業(yè)主干課，其專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)，在自動(dòng)化專業(yè)的課程體系中占有重要的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速前進(jìn)，“過程控制”也在日新月異地發(fā)展。這門課程的教學(xué)，使學(xué)生能運(yùn)用自動(dòng)控制理論，結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程和過程工業(yè)生產(chǎn)過程的分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行與開發(fā)研究工作。[1]

工業(yè)自動(dòng)化在整個(gè)社會(huì)生產(chǎn)中起著非常重要的作用，“過程控制”覆蓋范圍廣，基本設(shè)計(jì)了國民生產(chǎn)中包括諸如石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織等領(lǐng)域。[2]因而，“過程控制”在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，“過程控制系統(tǒng)”經(jīng)歷了基地式氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)、電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)等幾個(gè)階段。[3]“過程控制”是控制理論、工藝知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等知識(shí)相結(jié)合而構(gòu)成的一門應(yīng)用科學(xué)。

本課程需要加深學(xué)生對過程控制內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生在過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過程中將所學(xué)的理論知識(shí)融會(huì)貫通。因此，“過程控制系統(tǒng)課程”的實(shí)驗(yàn)非常重要，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、拓寬其知識(shí)面、加深對理論課程的認(rèn)識(shí)等都具有非常重要的意義。

但是，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，已經(jīng)嚴(yán)重老化，實(shí)驗(yàn)體系存在不合理的情況，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備所采用的技術(shù)是基于8位單片機(jī)的孤島式自動(dòng)控制儀表，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后目前的電子信息技術(shù)發(fā)展，嚴(yán)重制約著本課程實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。因此，筆者對該課程進(jìn)行了探索性地教學(xué)改革，主要針對教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)方面提出改進(jìn)的教學(xué)方法和措施，加強(qiáng)理論研究與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，合理增加先進(jìn)性控制理論及設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，著重對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備替換和補(bǔ)充，開發(fā)出新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。

二、教學(xué)方法改革思路

針對上述問題，結(jié)合目前國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展趨勢，課程組在教學(xué)過程中多次組織教師進(jìn)行探討和研究，提出了課程改革的措施。

1.理論教學(xué)改革

理論教學(xué)主要針對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增加其知識(shí)面、增強(qiáng)課后作業(yè)練習(xí)三個(gè)方面進(jìn)行。其改革結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在理論課程內(nèi)容中，PID控制理論部分主要是講述傳遞函數(shù)、微分方程及其動(dòng)態(tài)特性等理論知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到枯燥乏味。因此在多媒體課件中增加了大量的圖形及生產(chǎn)過程示意圖，并且增加了部分課題組科研工作中的實(shí)際項(xiàng)目例子，這樣極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如，在講述串級(jí)控制系統(tǒng)的章節(jié)就增加了生產(chǎn)紙漿的網(wǎng)前箱溫度-溫度系統(tǒng)，如圖2所示。

PID控制理論部分相對學(xué)時(shí)比較多，實(shí)際的控制儀表應(yīng)用則偏少，而對控制器的介紹相對比較少。因此在理論課程中增加對實(shí)際儀表部分的介紹，增加了智能儀表、網(wǎng)絡(luò)儀表等，主要講述其在工業(yè)生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)完成后對工業(yè)生產(chǎn)所使用的基本儀器儀表也有了初步的認(rèn)識(shí)，對以后工作打了比較好的基礎(chǔ)。

學(xué)生作業(yè)一直是學(xué)生被動(dòng)接受的內(nèi)容。考慮到實(shí)際情況，在講授過程中，采用大型作業(yè)和小型作業(yè)相結(jié)合的原則，要求學(xué)生對某一生產(chǎn)過程系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等參數(shù)的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行自行設(shè)計(jì)。比如采用串級(jí)控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)等不同的結(jié)構(gòu)，并且對所使用的執(zhí)行器和變送器種類進(jìn)行歸納和總結(jié)，并在課堂上選定幾個(gè)學(xué)生進(jìn)行講解和討論。這樣學(xué)生可選擇的范圍較大，避免了抄襲或應(yīng)付式完成作業(yè)，又對現(xiàn)場應(yīng)用的執(zhí)行器有了一定了解，避免了空洞的講解，學(xué)生收獲很大。

2.實(shí)踐教學(xué)改革

本課程設(shè)計(jì)有8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。由于原有THJ-2實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)嚴(yán)重老化，部分控制系統(tǒng)已經(jīng)不能夠使用，因此本著節(jié)約成本的原則，本課題組成員自行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的改造。在改造之前分析了當(dāng)前能夠跟上技術(shù)先進(jìn)性的過程控制系統(tǒng)及裝置。由于DCS控制器是當(dāng)今工業(yè)過程控制的發(fā)展方向和主流，[4]國外著名的DCS生產(chǎn)廠商及其產(chǎn)品均已進(jìn)入中國，如日本橫河電器公司的CENTUM-XL、美國HONEY -WELL公司的TDC-3000和瑞士ABB公司的Industrial IT等，用于冶金、石油、化工、電力等行業(yè)中。因此本課題小組采用分布式控制系統(tǒng)（DCS）替代原有的獨(dú)立式單片機(jī)控制系統(tǒng)，其自行開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與陳舊部分可用的實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合，重復(fù)利用現(xiàn)有資源，避免了教育經(jīng)費(fèi)的浪費(fèi)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中深色部分是自行開發(fā)的設(shè)備，而淺色框代表可重復(fù)利用的舊設(shè)備。

在自行開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，課題組也自行開發(fā)出多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，從技術(shù)上進(jìn)行全面升級(jí)，從實(shí)驗(yàn)范圍上拓寬傳統(tǒng)的PID控制，從理論上加強(qiáng)學(xué)生對傳統(tǒng)PID的認(rèn)識(shí)并拓寬知識(shí)面，使其接受與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)緊密結(jié)合的前沿技術(shù)產(chǎn)品。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改革，學(xué)生接觸的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與現(xiàn)場實(shí)際相吻合，學(xué)生親自動(dòng)手校驗(yàn)、調(diào)節(jié)設(shè)備，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，加強(qiáng)了他們的學(xué)習(xí)興趣，而且加深了他們對設(shè)備原理的理解，把理論認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí)結(jié)合起來。

三、改造實(shí)驗(yàn)設(shè)備及功能

對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)進(jìn)行自行改造升級(jí)，主要采用分布式控制系統(tǒng)替代原有舊系統(tǒng)，這樣可以靈活開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)的控制模塊及其他輔助模塊，幫助學(xué)生更加充分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。開發(fā)的DCS擴(kuò)展功能庫主要包括如下部分：RS485通信模塊、模糊控制模塊、預(yù)測控制模塊、自適應(yīng)控制模塊、傳感器類型庫、LCD庫、人機(jī)接口庫、USB庫和二次開發(fā)庫。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以靈活地配置和使用以上模塊庫，極大地提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和對計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、控制儀表等原理的理解與實(shí)際動(dòng)手能力。

四、結(jié)論

對過程控制系統(tǒng)與裝置課程進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)的綜合的教學(xué)改革，使得本專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程上提高了興趣，變被動(dòng)為主動(dòng)，增強(qiáng)了其動(dòng)手能力，大大拓寬了他們的就業(yè)范圍，也提高了其在工作中的適應(yīng)能力，使教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合素質(zhì)都得到較好的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]方康玲.過程控制系統(tǒng)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2007.

[2]唐玉玲.過程控制課程教學(xué)改革及實(shí)踐[J].科技信息，2011，(19):10-11.

[3]楊佳，許強(qiáng)，雷紹蘭，等.“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)及實(shí)驗(yàn)改革探討[J].中國電力教育，2010，(10):125-126.

[4]陳慧萍，樊嶸嶸.基于PAS-300M DCS 平臺(tái)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(13):3248-3251.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）