《過(guò)程控制及應(yīng)用》課程的教學(xué)研究與探討*

劉鴻雁

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津　300130)

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《過(guò)程控制及應(yīng)用》課程的教學(xué)研究與探討*

劉鴻雁

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130)

《過(guò)程控制及應(yīng)用》為過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)本科生的必修專業(yè)主干課，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)專門人才為總目標(biāo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決自動(dòng)控制系統(tǒng)問(wèn)題的基本能力。在課程的教學(xué)過(guò)程中，對(duì)于精度等級(jí)、數(shù)字儀表分辨率、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、比例度、控制規(guī)律等幾個(gè)教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行研究，通過(guò)改變思考角度和做圖舉例的方法，變難為易，教學(xué)效果得到明顯提高。

過(guò)程控制及應(yīng)用；教學(xué)研究；教學(xué)改革

進(jìn)入21世紀(jì)，為培養(yǎng)高素質(zhì)全面的人才，高等教育模式正在由精英教育逐漸轉(zhuǎn)為大眾教育[1]。隨著自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，化工設(shè)備與機(jī)械行業(yè)對(duì)人才的需求不再滿足于只單純進(jìn)行設(shè)備與機(jī)械設(shè)計(jì)，要求高校能夠培養(yǎng)出兼具設(shè)備設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的復(fù)合性人才[2-3]。1998年，教育部對(duì)普通高等學(xué)校本科專業(yè)進(jìn)行調(diào)整，“化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)”更名為“過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)”，確立了“以過(guò)程裝備為主體，過(guò)程和控制為兩翼”的專業(yè)建設(shè)方針，重組了相應(yīng)的課程體系[4-6]。河北工業(yè)大學(xué)“化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)”更名后，在原有專業(yè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)設(shè)了《過(guò)程控制及應(yīng)用》課程，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐證明，取得了一定經(jīng)驗(yàn)和成效。但在教學(xué)過(guò)程中，存在著很多問(wèn)題。如過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的學(xué)生電學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)薄弱，又沒(méi)有化工儀表的基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊，在講解《過(guò)程控制及應(yīng)用》的課程中，部分內(nèi)容難度較大，掌握困難，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力，通過(guò)改變講授方法及角度，采用作圖法變難為易，教學(xué)效果明顯提高。以下為作者對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的總結(jié)。

1　精度等級(jí)的確定

儀表的精度等級(jí)是評(píng)定儀表性能的重要指標(biāo)，去掉儀表最大相對(duì)百分誤差δmax中的“±”和“%”號(hào)，便可確定。但是，目前,國(guó)產(chǎn)儀表常用的精度等級(jí)有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0，對(duì)于處于兩個(gè)等級(jí)中間的情況，增大還是減少精度等級(jí)數(shù)字，同學(xué)們理解起來(lái)有點(diǎn)難度。采用圖1的臺(tái)階形式，就把問(wèn)題簡(jiǎn)單化了。

圖1　精度等級(jí)臺(tái)階

以δmax=+1.2%為例，去掉“±”和“%”后，1.2介于精度等級(jí)1.0和1.5之間，到底1.2調(diào)高上到1.0級(jí)的臺(tái)階上，還是降到1.5級(jí)的臺(tái)階上呢？這要取決于確定儀表精度等級(jí)的背景。如果正在校驗(yàn)一臺(tái)儀表，則該儀表的精度等級(jí)應(yīng)該降到1.5級(jí)；而如果根據(jù)工藝要求選購(gòu)儀表，則要選擇1.0級(jí)的儀表。通過(guò)采用這種方法講解比較，同學(xué)理解容易，這一部分內(nèi)容不再是教學(xué)難點(diǎn)了。

2　數(shù)字儀表的分辨力

分辨力是數(shù)字儀表的重要性能指標(biāo)，即顯示器最末位數(shù)字間隔所代表的被測(cè)參數(shù)變化量。例如某表的最低量程為0～1.0000 V，五位數(shù)字顯示，則分辨力的確定可按圖2方法。

圖2　數(shù)字儀表顯示的最大值與最小值

先把五位數(shù)字液晶顯示的最大電壓表示出來(lái)，見(jiàn)圖2上面的圖，為0.99999 V，然后把最后一位改為最末位數(shù)字表示的最小間隔1，則可判斷出該儀表的分辨力為0.00001 V。

3　熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償電橋法

圖3　熱電偶補(bǔ)償電橋法電路圖

熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償方法較多，有冰點(diǎn)法、冷端修正法、機(jī)械調(diào)零法等，其中補(bǔ)償電橋法是熱電偶測(cè)溫儀表中最常用的方法，電路如圖3所示，加了補(bǔ)償電橋后，總電路輸出端ef的電壓值為：

Uef=U熱電偶+U

(1)

由上式可知，如果Uef等于熱電偶的熱電勢(shì)E(t,0)，就說(shuō)明電橋起到補(bǔ)償作用了。而E(t,0)的計(jì)算見(jiàn)如下公式[7]：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)

(2)

式中：E(t,0)——熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0℃ 時(shí)的熱電勢(shì)

E(t,t0)——熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為t0時(shí)的熱電勢(shì)

E(t0,0)——熱電偶熱端溫度為t0，冷端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì)

首先由電路圖可知U熱電偶=E(t,t0)，再比較公式(1)和公式(2)，可知通過(guò)合理選擇銅電阻Rcu，使Uab=E(t0,0)，就能滿足公式(2)，這樣電路輸出端的電勢(shì)就等于熱電偶冷端為0℃時(shí)電勢(shì)，說(shuō)明電橋能起到補(bǔ)償作用了。

4　比例度δ的意義

比例度δ是控制器的一個(gè)重要參數(shù)，定義為控制器輸入偏差信號(hào)變化的相對(duì)值與輸出信號(hào)變化相對(duì)值的百分比，用公式表示如下[7]：

(3)

式中：e——輸入偏差信號(hào)

xmax-xmin——控制器的輸入信號(hào)變化范圍

p——控制器的輸出信號(hào)

pmax-pmin——控制器的輸出信號(hào)變化范圍

比例度的意義為控制閥開(kāi)度改變100%即從全關(guān)到全開(kāi)時(shí)所需要的輸入信號(hào)必須改變?nèi)砍痰陌俜直?。如果只從比例度定義的公式理解，比較空洞。為此結(jié)合多年教學(xué)實(shí)踐，以50%、100%、200%為例，繪制示意圖如圖4所示。在圖中，用同一線型代表同一比例度，則輸入相對(duì)變化與輸出的相對(duì)變化在圖上直觀表達(dá)出來(lái)。通過(guò)調(diào)查，學(xué)生反應(yīng)按照教材的內(nèi)容理解比例度的意義較難，而按圖4所示的方法則能輕松理解。

圖4　比例度示意圖

5　比例控制規(guī)律與積分控制規(guī)律

比例控制規(guī)律和積分控制規(guī)律分別為控制器的基本控制規(guī)律[7]，比例控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

P=Kpe

(4)

式中:P——控制器的控制信號(hào)

e——控制器的輸入偏差信號(hào)

KP——控制器的比例增益

比例控制規(guī)律的特點(diǎn)是控制結(jié)果有余差，理解這個(gè)問(wèn)題一方面可以從實(shí)例驗(yàn)證，另外也可以直接由公式(4)推導(dǎo)而得到結(jié)論。因?yàn)槿粝胧箍刂破靼l(fā)出控制命令，則必然P≠0，而P≠0的前提是e≠0,e≠0則說(shuō)明結(jié)果有余差。

積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

P=KI∫edt

(5)

式中：KI——積分速度

積分控制規(guī)律的特點(diǎn)是控制結(jié)果無(wú)余差，若想利用公式分析這個(gè)結(jié)論，需對(duì)上式兩邊同時(shí)微分，得到：

(6)

公式(6)左邊代表控制器控制信號(hào)的變化速率，若控制器結(jié)束控制動(dòng)作，發(fā)出的控制信號(hào)不再改變，則左式必然為0才可滿足，而由上式可知左式為0的前提是右式中e=0,這說(shuō)明控制結(jié)果是偏差即余差為0。

6　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)教材中難點(diǎn)進(jìn)行研究，改變講解角度，變難為易，教學(xué)效果明顯提高。教師只有在不斷地教學(xué)與研究的過(guò)程中，才能在教學(xué)實(shí)踐中及時(shí)汲取教學(xué)研究的最新成果、及時(shí)更新教材內(nèi)容，不斷充實(shí)新的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法，才能掌握先進(jìn)的教育教學(xué)技術(shù)手段，不斷提高專業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)教學(xué)工作的創(chuàng)新，不斷提高教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)出符合時(shí)代要求的人才。

[1]潘懋元.21世紀(jì)國(guó)家的核心競(jìng)爭(zhēng)力:教育-人才的合理結(jié)構(gòu)[J].中國(guó)高教研究,2005(3):1-2.

[2]閆紹峰,熊曉航.過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系的改革與實(shí)踐[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2007(5):12-15.

[3]劉俊明,段滋華.過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)加強(qiáng)過(guò)程教學(xué)的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐[J].化工高等教育,2008(2):48-55.

[4]左海強(qiáng),張?zhí)m,劉仁桓，等.過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)控制類課程教學(xué)與探討[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2012(24):82-83.

[5]鐘漢如.提高過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的控制系列課程質(zhì)量[J].化工高等教育,2004(4):109-111.

[6]王成剛,喻九陽(yáng),徐建民,等.過(guò)程裝備與控制專業(yè)控制類課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].理工高教研究，2005，24(5):64-65.

[7]王毅.過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:35-60.

Study on the Course Teaching of Contro Techniqle and Apply of Process Equipment*

LIU Hong-yan

(School of Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

The course of Control Technique and Apply of Process Equipment is one major compulsory course of Process Equipment and Control Engineering major.The general objective is to produce professional personnel with creative ability and practical skill.The course carries the task of nurturing students’basic abilities of analyzing and solving the problem of automatic control system.Some difficult points such as accuracy class,digital instrument resolution,thermocouple cold end temperature compensation,proportional band and control law,etc.,in teaching the course of Control Technique and Apply of Process Equipment was investigated.By the method of changing the explaining point and making a graph,the questions became easier to be understood.The teaching effect was obviously improved.

Control Technique and Apply of Process Equipment; teaching research; teaching innovation

河北省高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(No:102005)。

劉鴻雁(1971-)，女，副教授，主要從事過(guò)程控制及應(yīng)用方面的教學(xué)。

G642.0

A

1001-9677(2016)06-0139-03