“過程控制”課程教學(xué)改革探索

呂漫麗 孫文利 魏志勇

摘要：“過程控制”是目前工科院校自動(dòng)化專業(yè)必須開設(shè)的一門專業(yè)課。結(jié)合電力院校特點(diǎn)，本文分析了我校開設(shè)該課程過程中所存在的問題，并對(duì)該課程的教學(xué)改革的方法和取得的一些成果進(jìn)行闡述，有利于指導(dǎo)進(jìn)一步的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：過程控制；教學(xué)改革；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）10-0083-02

“過程控制”是控制理論在實(shí)際應(yīng)用中的再創(chuàng)造的過程。它是以復(fù)雜的工業(yè)過程為背景，以控制理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。過程控制對(duì)理解和掌握屬于數(shù)學(xué)學(xué)科的自動(dòng)控制理論，做到學(xué)以致用，起著非常重要的作用。

“過程控制”課程是我校自動(dòng)化專業(yè)非常受重視的一門課程，開設(shè)本門課程之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)過“自動(dòng)控制原理”、“電廠熱力設(shè)備及運(yùn)行”、“熱工測(cè)量及儀表”、“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”等課程，開設(shè)本門課程的同時(shí)，還開設(shè)“電廠開關(guān)量控制”、“汽輪機(jī)控制”、“集散控制系統(tǒng)”，它們共同形成了電力院校自動(dòng)化專業(yè)的特色專業(yè)課程。除了自動(dòng)化專業(yè)，該課程也是我校的熱能與動(dòng)力工程及測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的重要的專業(yè)必修課。整門課程是以控制理論和電廠熱力設(shè)備及運(yùn)行為基礎(chǔ)，以電廠主要設(shè)備及熱工過程為被控對(duì)象，對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行原理分析和設(shè)計(jì)。通過本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握電廠的主要熱工過程的控制原理和設(shè)計(jì)方法。這是理論和實(shí)踐結(jié)合非常緊密的一門課程，為學(xué)生后續(xù)進(jìn)行仿真實(shí)習(xí)和將來從事電廠運(yùn)行工作打下理論基礎(chǔ)。

為把過程控制課程打造成具有電力院校特點(diǎn)的特色專業(yè)課，我們根據(jù)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化技術(shù)與教學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，對(duì)畢業(yè)生進(jìn)行反饋調(diào)查，征求用人單位的意見，進(jìn)一步明確了培養(yǎng)目標(biāo)，并進(jìn)行課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的一系列綜合改革。

一、課程的教材建設(shè)

教材是教學(xué)的主要依據(jù)，是教學(xué)大綱的具體化。教材建設(shè)是課程建設(shè)的核心，是進(jìn)行教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證?！吨袊?guó)教育改革發(fā)展綱要》指出：學(xué)校的教材要反映中國(guó)和世界的優(yōu)秀文明成果及當(dāng)代科學(xué)技術(shù)文化的最新發(fā)展。因此，面向21世紀(jì)的教材在內(nèi)容上應(yīng)能跟上科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐。熱工系列課程教材和教學(xué)內(nèi)容要反映當(dāng)代科技成果。本課程組教師總結(jié)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和自己的研究成果，針對(duì)電力院校的特點(diǎn)，編寫的“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《電廠熱工過程自動(dòng)控制》，內(nèi)容既有基本的控制理論基礎(chǔ)知識(shí)，又有單元機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)還介紹了火電廠的最新技術(shù)進(jìn)展?？晒┳詣?dòng)化及相關(guān)專業(yè)本科生學(xué)習(xí)使用，也可作為從事熱工過程自動(dòng)控制工作的工程技術(shù)人員自學(xué)參考資料。該教材榮獲了吉林省優(yōu)秀教材稱號(hào)。

二、科學(xué)化教學(xué)方法

1.重視緒論課的教學(xué)，提高學(xué)習(xí)興趣。如何在課程之初就吸引學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情是課程組教研的重點(diǎn)內(nèi)容之一。在緒論課上，老師首先向?qū)W生強(qiáng)調(diào)本課程的性質(zhì)、任務(wù)及地位等，同時(shí)強(qiáng)調(diào)和其他已學(xué)課程的關(guān)聯(lián)性，以及會(huì)和哪些后續(xù)環(huán)節(jié)相關(guān)聯(lián)。同時(shí)講述過程控制的歷史發(fā)展和研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)給學(xué)生展示大量的實(shí)際工程應(yīng)用案例以及學(xué)生利用課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)的成品和教師在過程控制方面的科研成果。讓學(xué)生對(duì)這門課充滿期待，找到學(xué)習(xí)方向，以此來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.注重實(shí)際案例分析，增強(qiáng)學(xué)生的工程思維。在進(jìn)入電廠熱工控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)部分前，先根據(jù)火電廠的工藝流程圖，回顧火力發(fā)電過程，重點(diǎn)從控制的角度引出火力發(fā)電的主要的控制系統(tǒng)有哪些，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)的后續(xù)系統(tǒng)有一個(gè)整體的認(rèn)知。在每個(gè)重要的控制系統(tǒng)講授完成之后，都要講授一個(gè)實(shí)際機(jī)組實(shí)例，實(shí)例中不但包含模擬量控制，還有相應(yīng)的信號(hào)測(cè)量部分和手自動(dòng)跟蹤部分，同時(shí)結(jié)合控制邏輯進(jìn)行講解。同時(shí)基于安全考慮，介紹一些報(bào)警和連鎖保護(hù)知識(shí)，這樣，學(xué)生除了對(duì)知識(shí)有了系統(tǒng)認(rèn)知，也培養(yǎng)了學(xué)生的安全意識(shí)。

3.增加知識(shí)講座，了解行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。本學(xué)院的學(xué)生將來就業(yè)的方向大部分是在電廠，為了便于學(xué)生提前了解自己未來的工作環(huán)境和工作需要，學(xué)院每年都會(huì)請(qǐng)一些有工作經(jīng)驗(yàn)的校友講一些火電廠現(xiàn)場(chǎng)情況，畢業(yè)前應(yīng)該進(jìn)行哪些方面的知識(shí)儲(chǔ)備，以及電廠人才需求的方向，使學(xué)生更好地了解行業(yè)現(xiàn)狀。同時(shí)也會(huì)請(qǐng)一些過程控制某一領(lǐng)域方向的專家學(xué)者進(jìn)行學(xué)術(shù)報(bào)告，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)了解過程控制的前沿研究，關(guān)注過程控制的未來發(fā)展。

三、多樣化教學(xué)手段

1.高質(zhì)量多媒體課件的研發(fā)與應(yīng)用。過程控制課程是一門和實(shí)際結(jié)合緊密的學(xué)科，內(nèi)容既有控制理論知識(shí)，又和電廠運(yùn)行實(shí)際相結(jié)合。為了增加直觀性，本課程已采用多媒體授課很多年，但是多以PPT課件為主，板書為輔，形式過于單一。近幾年來，課題組教師抽出大量時(shí)間對(duì)本門課程的課件進(jìn)行了大力度的研發(fā)，新課件充分運(yùn)用文本、圖形、圖像、動(dòng)畫、圖表等媒體形式來表現(xiàn)課程內(nèi)容，既有常規(guī)的文字描述與歸納，又可以通過動(dòng)畫演示直觀講解，還可以控制實(shí)例的演示進(jìn)程，較好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效果，該課件獲得了2012年吉林省高等教育技術(shù)成果獎(jiǎng)多媒體課件類一等獎(jiǎng)。在3屆學(xué)生中的應(yīng)用表明教學(xué)效果明顯。

2.網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)的建設(shè)使師生之間和學(xué)生之間的協(xié)作不受時(shí)間和空間的限制。老師可以將教學(xué)的相關(guān)資料放到網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂里，還可在網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂上留作業(yè)、收作業(yè)、網(wǎng)上答疑、討論，方便學(xué)生隨時(shí)得到老師和其他同學(xué)的幫助。教師由知識(shí)的灌輸者成為學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，學(xué)生由被動(dòng)地接受教育變成主動(dòng)地探索知識(shí)。本校的省精品課程都有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂建設(shè)，使師生的交互、學(xué)生的協(xié)作更為方便，更利于實(shí)施教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主式學(xué)習(xí)。

3.輔助教學(xué)軟件的應(yīng)用。過程控制課程的教學(xué)重點(diǎn)是給學(xué)生一個(gè)“系統(tǒng)”的概念，實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)，都是控制器，執(zhí)行器和控制對(duì)象構(gòu)成前向通道，再通過測(cè)量變送器形成負(fù)反饋，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制指標(biāo)的要求，對(duì)各部件進(jìn)行選型并整定。在講解過程中，應(yīng)用SIMULINK軟件，結(jié)合被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，可以組成包括控制器、執(zhí)行器和變送器等的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過觀測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。尤其在控制器動(dòng)態(tài)特性和各種復(fù)雜控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的整定等知識(shí)的講解中，MATLAB仿真實(shí)例便于學(xué)生比較各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，增強(qiáng)了直觀性，同時(shí)也能讓學(xué)生學(xué)到一種解決問題的方法和手段。

四、強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用能力

實(shí)踐環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)和后續(xù)的仿真培訓(xùn)等。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)。過程控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是我校教師和浙江天煌教儀合作研發(fā)的，是對(duì)火電機(jī)組的鍋爐側(cè)的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行一些驗(yàn)證性和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括單容液位定值控制系統(tǒng)、液位與進(jìn)水流量串液級(jí)控制系統(tǒng)、鍋爐內(nèi)膽水溫前饋-反饋控制系統(tǒng)等。另外，新建的PLC和DCS實(shí)驗(yàn)室也可以滿足學(xué)生的一些自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)要求。我院實(shí)驗(yàn)室采用的是開放式教學(xué)，學(xué)生可以自主地預(yù)約實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，增強(qiáng)了課程的設(shè)計(jì)的靈活性和自主性。

2.課程設(shè)計(jì)。課程結(jié)束后有一個(gè)3周的課程設(shè)計(jì)，針對(duì)學(xué)生已有知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)火電廠的典型控制系統(tǒng)如燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、協(xié)調(diào)系統(tǒng)，學(xué)生從研究被控對(duì)象開始，包括傳感器選擇、控制方案確定，還要考慮到信號(hào)可靠性以及系統(tǒng)的無擾切換等實(shí)際問題，自己查閱資料和參考實(shí)際電廠的圖紙，最后繪制出自己控制系統(tǒng)的SAMM圖。通過這個(gè)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生能從系統(tǒng)的角度對(duì)所學(xué)的課程有了一個(gè)整體的應(yīng)用概念。3周的課程設(shè)計(jì)使相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)得以體系化，又能讓學(xué)生注意到在工程實(shí)際應(yīng)用中必須考慮的一些問題。

3.現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)+仿真培訓(xùn)。結(jié)合電力院校的特點(diǎn)，我院到第7學(xué)期有一個(gè)電廠生產(chǎn)實(shí)習(xí)和仿真培訓(xùn)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)就是到就近的火力發(fā)電廠進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)識(shí)和培訓(xùn)，讓電廠有經(jīng)驗(yàn)的師傅帶領(lǐng)學(xué)生深入了解實(shí)際熱力設(shè)備的構(gòu)成及電廠整體流程。仿真培訓(xùn)就是到本校的一個(gè)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)踐基地進(jìn)行為期4周的大型火電機(jī)組的集控運(yùn)行仿真培訓(xùn)，讓學(xué)生對(duì)火電廠的所有相關(guān)知識(shí)有一個(gè)更為深入的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生對(duì)學(xué)過的理論知識(shí)能夠從工程的角度進(jìn)行組織和整合，建立起相應(yīng)的自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)體系。

4.其他實(shí)踐。我們學(xué)院一直重視學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力，成立了自動(dòng)化創(chuàng)新實(shí)踐基地，秉承以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，以政策為導(dǎo)向，通過動(dòng)手實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣；通過參與課題研究，激發(fā)學(xué)生敢于創(chuàng)新的意識(shí)；通過目標(biāo)管理，培養(yǎng)學(xué)生善于創(chuàng)業(yè)的精神。大三的學(xué)生，就可以進(jìn)入相應(yīng)的研究室參與科研活動(dòng)，比如創(chuàng)新制作研究室，學(xué)生通過自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，深化了理論知識(shí)，還可以通過參加一些西門子過程控制大賽等這些全國(guó)性的比賽鍛煉實(shí)踐能力，感受到了知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用行性和趣味性，并已取得一定的成績(jī)。

五、結(jié)束語

通過對(duì)過程控制課程教學(xué)的研究和探索，我們的過程控制課程在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段等方面做了一些嘗試，在教學(xué)實(shí)踐過程中取得了較好的教學(xué)效果。課程改革做到了理論、技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手和分析解決問題的能力。

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