獨立學院“過程控制”課程教學改革探索

于新業(yè)+易藝+竇文淼

【摘 要】本文針對獨立學院“過程控制”課程教學中存在的內(nèi)容涉及范圍廣、工程實踐性強等問題，提出在“過程控制”課程教學中采用理論、實驗、實訓(xùn)三合一的教學模式，并將Matlab/Simulink、PLC、單片機等相關(guān)知識穿插在“過程控制”課程的不同階段，使該課程的軟件與硬件、理論與實踐等知識有機地結(jié)合在一起，探索出有助于培養(yǎng)獨立學院自動化專業(yè)學生創(chuàng)新能力的教學方法。

【關(guān)鍵詞】獨立學院 過程控制課程 實踐教學 教學模式

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）03C-0066-02

過程控制是自動化專業(yè)極為重要的專業(yè)課程。由于該課程具有內(nèi)容涉及面廣、緊跟學科發(fā)展的前沿、理論與實踐緊密結(jié)合等眾多特點，因此學生很難理解和掌握該課程的內(nèi)容，做不到融會貫通。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)絕大多數(shù)高校開設(shè)過程控制課程的理論教學大部分采用多媒體課件進行授課。為了給學生獲得工程現(xiàn)場的感性認識，教師在授課的過程中，除了講授理論知識外，還展示了大量的工程現(xiàn)場圖片或視頻。課程的實驗通常采用兩種方法：第一，學生在購買或自主研發(fā)的過程控制實驗裝置上進行實驗。第二，學生利用Simulink 軟件，利用Simulink 建模和控制算法仿真對工業(yè)對象進行單純的控制算法仿真驗證。由于學生從學完課程的理論知識到進行實驗的時間一般很久，因此，對于第一種實驗方法，大部分學生往往會忘記很多理論知識，同時由于實驗課程時間有限，很多同學難以完成實驗，更談不上將理論知識運用到實踐中去，做到學以致用。而對于第二種實驗方法，由于學生采用仿真軟件進行實驗，沒有硬件的支撐，因此學生很難有工程環(huán)境的概念。針對過程控制課程教學存在的問題，本文從獨立學院培養(yǎng)學生的應(yīng)用能力和工程實踐能力這一目標出發(fā)，對該課程進行了教學改革探索。

一、教學模式設(shè)計

桂林電子科技大學信息科技學院自動化專業(yè)過程控制實驗室具有兩套由杭州云創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司提供的YCGK-1型過程控制綜合實驗裝置和41臺計算機。實驗裝置由如圖1所示的實驗控制對象、實驗控制平臺（PLC、采集卡、DDC控制模塊）以及上位監(jiān)控PC機共三部分組成。該實驗裝置將自動化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)集為一體，可實現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等熱工參數(shù)的控制，系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制方式。實驗裝置可以連接局域網(wǎng)，并通過局域網(wǎng)中的計算機實現(xiàn)對各種控制方式的選擇。教學模式從理論、實驗和實訓(xùn)共三個方面進行設(shè)計，教學內(nèi)容根據(jù)工程應(yīng)用的實際情況和學生的接受能力進行安排，使它們成為一個有機的教學整體。教學模式具體設(shè)計和做法如下：

過程控制課程的研究內(nèi)容、分類、發(fā)展、任務(wù)、工程表示及指標等內(nèi)容安排在理論課堂上完成，課堂上將要講授的內(nèi)容通過文字、圖片和視頻等多媒體方式展示給學生，使要講授的理論知識點盡可能的容易理解，做到通俗易懂。

對象數(shù)學模型的建立是生產(chǎn)過程實現(xiàn)良好控制必不可少的條件，因此，對象數(shù)學模型的建立內(nèi)容是過程控制課程教學的重點之一，除了理論知識的教學外，該部分內(nèi)容還應(yīng)加強實驗教學內(nèi)容的設(shè)計，采用Matlab/Simulink軟件對過程對象進行建模與分析計算。

單回路控制系統(tǒng)（簡單控制系統(tǒng)）是所有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其他的控制系統(tǒng)多數(shù)以單回路控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)，而且該部分內(nèi)容涵蓋了單回路控制系統(tǒng)各組成部分的模型（傳遞函數(shù)）分析、各部分相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)的影響、執(zhí)行器的選擇、控制器的選擇、控制規(guī)律的選擇、控制參數(shù)的整定等多方面內(nèi)容。因此，該部分內(nèi)容既是課程教學的重點也是難點，在增加理論知識課時量的同時，更應(yīng)注重該部分內(nèi)容的工程實踐應(yīng)用，增加學生親自動手操作的機會，加強該部分實驗教學內(nèi)容的設(shè)計，實驗教學采用DDC控制系統(tǒng)。

串級控制、比值控制、前饋控制、選擇控制和其他控制系統(tǒng)的教學，采用在理論課堂上將其基本原理介紹清楚（單回路控制系統(tǒng)的延伸），對其中較為典型的串級控制系統(tǒng)的實驗內(nèi)容進行了設(shè)計，并加強了實驗環(huán)節(jié)。

實驗環(huán)節(jié)的課時數(shù)安排了16學時，4個實驗，每個實驗4學時，并進行了開放性實驗，以加強學生對理論知識的理解，做到學以致用。由于實驗室只有2臺過程控制實驗設(shè)備，不能讓每個學生同時進行操作，因此只能讓學生分時操作實驗設(shè)備，沒有輪到使用到實驗設(shè)備的學生進行實驗項目相關(guān)的仿真任務(wù)練習。實驗內(nèi)容的設(shè)計分為4個實驗，分別為：（1）過程對象的建模實驗；（2）實驗設(shè)備認識及儀表特性實驗；（3）單回路控制系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)整定；（4）串級控制系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)整定。

在進行實驗設(shè)備采購時，要求廠家將所有傳感器與執(zhí)行器的信號接口留出。為了進一步提高學生的實踐動手能力，利用實驗室有限的實驗設(shè)備，設(shè)計了該課程的實訓(xùn)。實訓(xùn)題目設(shè)計有：（1）單容水箱液位控制系統(tǒng)；（2）鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)。要求學生使用實驗設(shè)備的傳感器與執(zhí)行器接口，自行設(shè)計控制回路（不使用實驗控制平臺上的PLC、采集卡和DDC控制模塊），可以使用單片機、PLC和模擬/數(shù)字電路實現(xiàn)。

過程控制課程中使用到的網(wǎng)絡(luò)知識內(nèi)容安排在桂林電子科技大學信息科技學院自動化專業(yè)的“工業(yè)通信網(wǎng)與控制技術(shù)”課程中進行講授，實驗中進行了以太網(wǎng)和RS485的使用和操作。

過程控制課程的教學模式采用理論、實驗和實訓(xùn)緊密結(jié)合，理論課將相關(guān)內(nèi)容講授完畢，立即安排進行實驗，并根據(jù)學生的學習情況設(shè)計3種難度（難、中、易）的實訓(xùn)題目供學生選擇，待理論課和實驗課結(jié)束后，讓學生進行實訓(xùn)，最后將實訓(xùn)作品與實際對象對接聯(lián)調(diào)，完成整個課程的教學，形成總結(jié)報告。

二、教學實施

過程控制課程的教學實施主要是把理論、實驗和實訓(xùn)進行有機地結(jié)合，使學生能把理論課堂的知識迅速地通過實踐環(huán)節(jié)進行驗證而加強理解，并做到學以致用，不斷提高自身的工程應(yīng)用能力。教學實施過程如下：

首先，在理論課程中講授對象建模內(nèi)容后，便進行對應(yīng)的實驗。由于學生對實驗設(shè)備并不熟悉，第一次實驗中需要將用到的實驗管道工藝流程圖和各個部件進行講細說明。設(shè)計的實驗內(nèi)容是以單容水箱液位為對象進行控制對象的建模，該部分內(nèi)容用到的對象是圖1中的3個水箱之一，以水箱3為例，需要打開V6（手動排水閥）、1V3閥門（手動進水閥），用到的傳感器是液位3，執(zhí)行器為電動閥DDF和增壓泵。實驗要求學生2人一組操作，將1V3閥門全開，V6閥門開度為實驗學生分組號的函數(shù)（V6不同的開度得到不同的對象模型，避免學生抄襲數(shù)據(jù)），施加階躍信號（電動閥開度控制）便可得到水箱3液位變化數(shù)據(jù)及曲線，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)及曲線便可求取單容水箱液位的傳遞函數(shù)。實驗裝置只有兩套，同一時刻進行實驗操作的學生只有4人，其他的同學如果沒有安排任務(wù)將會閑著浪費時間，因此必須安排其他相應(yīng)的實驗任務(wù)：（1）將水箱尺寸數(shù)據(jù)和閥的流量關(guān)系提供給學生，讓學生根據(jù)物理參數(shù)進行機理法建立水箱的數(shù)學模型；（2）已經(jīng)測得數(shù)據(jù)的學生根據(jù)所測得數(shù)據(jù)求出水箱的數(shù)學模型，并與機理法求得的數(shù)學模型進行比較。

單回路控制系統(tǒng)部分的理論講主要分兩大部分：系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計。在系統(tǒng)分析部分設(shè)置實驗設(shè)備認識及儀表特性實驗，讓學生進一步認識實驗裝置的管路特點，并對測量變送器與執(zhí)行器的特性進行測試，即得到傳感器和執(zhí)行器的數(shù)學模型，該部分實驗中同樣設(shè)置相關(guān)的仿真練習，如標度變換、獲取的裝置數(shù)據(jù)分析等。在系統(tǒng)設(shè)計部分設(shè)置單回路控制系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)整定實驗，根據(jù)要求與裝置中儀表的特性設(shè)計單回路控制系統(tǒng)（如單容水箱液位控制系統(tǒng)），并進行控制參數(shù)的整定。沒有操作實驗裝置的同學，則進行給定系統(tǒng)的參數(shù)整定仿真練習和對已經(jīng)操作的實驗數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)。在這個階段，給學生設(shè)置實訓(xùn)的任務(wù)要求，要求學生廣泛查閱資料，進行實訓(xùn)題目的選擇，并進行初步設(shè)計。

最后一部分和實踐相關(guān)的內(nèi)容選取了串級控制系統(tǒng)，該部分的教學設(shè)計與單回路控制系統(tǒng)類似。同時補充實訓(xùn)題目及要求。

整個課程教學過程中，實驗室資源對學生開放，在理論課程結(jié)束后，給學生兩周的時間完成實訓(xùn)的軟件和硬件設(shè)計，并進行參數(shù)整定，最后完成實訓(xùn)的驗收和答辯工作。

三、結(jié)論

過程控制課程是集理論性與工程實踐性為一體的課程，將理論、實驗和實訓(xùn)等各個環(huán)節(jié)有機結(jié)合可以達到良好的教學效果，同時讓學生將仿真與單片機和PLC等系統(tǒng)軟硬件設(shè)計結(jié)合到一起，達到知識綜合應(yīng)用的目的，該教學模式在自動化專業(yè)學生中進行了教學改革試點，獲得了良好的教學效果。學生對過程控制課程中的過程控制對象、測量變送裝置、執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)有了深刻的認識，基本能夠勝任常規(guī)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試、維護等工作。

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【基金項目】2015年廣西高等教育本科教學改革工程立項項目“自動化儀表與過程控制課程教學改革研究”（2015JGA415）

【作者簡介】于新業(yè)（1979— ），男，山東平度人，碩士，桂林電子科技大學信息科技學院講師，工程師；易 藝（1983— ），男，廣西防城人，碩士，桂林電子科技大學信息科技學院高級實驗師；竇文淼（1984— ），女，天津?qū)氎嫒耍T士，桂林電子科技大學信息科技學院助理實驗師。

（責編 王 一）