過程裝備與控制工程專業(yè)教學(xué)探索與改革

陳 磊，任銀娥，張紅欣

(1.新疆大學(xué) 化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.昌吉學(xué)院 物理系，新疆 昌吉 831100)

高等院校學(xué)科發(fā)展與建設(shè)離不開多媒體教學(xué)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代化高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[1]，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可將專業(yè)課程中基礎(chǔ)知識(shí)、重難知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)實(shí)操進(jìn)行信息融合，打破理論和實(shí)踐間的壁壘，形成教學(xué)與實(shí)踐并行的教學(xué)效果[2-3]。

受2019-nCoV型新型冠狀病毒的影響，全國(guó)各大高校響應(yīng)國(guó)家教育部“停課不停教、不停學(xué)”號(hào)召，借助多渠道互聯(lián)網(wǎng)媒介進(jìn)行了多形式遠(yuǎn)程授課。遠(yuǎn)程授課過程中基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的講解可通過公式推演、案例講解、簡(jiǎn)單動(dòng)畫分析的形式進(jìn)行，而涉及復(fù)雜控制理論、過程、系統(tǒng)等重難點(diǎn)，在正常教學(xué)過程中采用實(shí)驗(yàn)課實(shí)操的形式鞏固相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。而疫情期間受教學(xué)環(huán)境限制不能現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分析控制系統(tǒng)程序、觀察實(shí)驗(yàn)過程變化，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

國(guó)內(nèi)高等院校將虛擬仿真與教學(xué)過程進(jìn)行結(jié)合取得了很好的教學(xué)效果。天津大學(xué)范江洋等針對(duì)化工過程控制課程教師授課時(shí)采用組態(tài)虛擬控制儀表演示某生產(chǎn)線控制參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)各化工設(shè)備參數(shù)變化及設(shè)備物理性變化的范例將多維互動(dòng)學(xué)習(xí)過程延伸至課堂之外，有效地提高了學(xué)生上課目標(biāo)專注程度和課程興趣[4]。天津科技大學(xué)王紅星在教學(xué)過程中針對(duì)精餾塔的教學(xué),運(yùn)用圖形化編程軟件針對(duì)多乙苯精餾塔的控制進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并通過實(shí)時(shí)改變各變量參數(shù)的給定值使學(xué)生能主觀觀察到高壓塔設(shè)備蒸汽流量變化，各層塔壓變化規(guī)律[5]。福州大學(xué)史曉東等針對(duì)過程控制課程中引入可參數(shù)化改變煤進(jìn)給量，動(dòng)態(tài)演示了鍋爐點(diǎn)火過程中鍋爐內(nèi)部溫度、壓力、能量轉(zhuǎn)化、氣體結(jié)構(gòu)變化，將工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際操作過程進(jìn)行了如實(shí)反映[6]。

結(jié)合本校過程裝備與控制工程專業(yè)(簡(jiǎn)稱“過控專業(yè)”)的培養(yǎng)方案和過程控制工程專業(yè)的教學(xué)大綱，開發(fā)的虛擬控制實(shí)驗(yàn)，圖形設(shè)計(jì)采用北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)王軟件，程序設(shè)計(jì)采用Matlab/Simulink工具箱完成程序控制參數(shù)的搭建，組態(tài)軟件與Simulink之間采用基于Windows應(yīng)用的OPC(OLE for Process Control)通訊技術(shù)完成控制界面與算法之間的數(shù)據(jù)交互。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)手段上形成教學(xué)改革，開放的仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)過程在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新意識(shí)方面取得了較好的效果。

1 過程控制工程教學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析

本校開設(shè)的過控專業(yè)立足化工過程工業(yè)領(lǐng)域，在校生培養(yǎng)總體框架以“化工過程機(jī)械”為主機(jī)，“過程原理”與“裝備控制技術(shù)”為兩翼的“一機(jī)兩翼”的格局。過程控制工程作為過控專業(yè)的專業(yè)必修課，是將學(xué)生所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行系統(tǒng)性融合的課程。課程在掌握控制機(jī)理建模、自動(dòng)控制理論、化工生產(chǎn)工藝、化工設(shè)備工作機(jī)理、流體動(dòng)/靜力學(xué)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上完成分析和設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、調(diào)試、投放、優(yōu)化等工作。

1.1 教材部分授課內(nèi)容講解難度大

本校過控專業(yè)采用化學(xué)工業(yè)出版社出版，羅健旭、黎冰等主編的《過程控制工程(第4版)》，教程共有9章內(nèi)容，前4章內(nèi)容主要采用概念解讀、公式推演、機(jī)理建模分析完成課堂教學(xué)。而5-9章節(jié)的內(nèi)容在介紹先進(jìn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合化工背景設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制、解耦控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制、智能控制等系統(tǒng)。課程上半學(xué)期教學(xué)過程中學(xué)生反饋能掌握教程內(nèi)容，對(duì)涉及到復(fù)雜控制系統(tǒng)的章節(jié)明顯表現(xiàn)到知識(shí)點(diǎn)難懂、內(nèi)容相對(duì)抽象、某些化工過程控制系統(tǒng)控制規(guī)模龐大、控制系統(tǒng)理解難度大、理論概念與實(shí)踐存在斷層。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法與理論知識(shí)深度結(jié)合

化工過程設(shè)備具有高溫、高壓、易爆、易燃、占地面積大、設(shè)備成本高昂等特點(diǎn)。在課程開實(shí)驗(yàn)操作中常采用水代替流體介質(zhì)完成控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作，僅能演示流質(zhì)流動(dòng)過程、壓力設(shè)備內(nèi)容參數(shù)、控制算法的控制機(jī)理，無(wú)法讓學(xué)生更深入地了解反應(yīng)設(shè)備的真實(shí)應(yīng)力變化、溫度變化、內(nèi)部流質(zhì)流動(dòng)規(guī)律。致使現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)際操作中因只是教學(xué)型實(shí)驗(yàn)，無(wú)法將研究型教學(xué)理念與課程理論知識(shí)深度結(jié)合，易造成學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐操作脫節(jié)。

1.3 現(xiàn)有教學(xué)素材無(wú)法拔高學(xué)生理論深度

現(xiàn)代教育隨著信息化速度的加快也在不斷地補(bǔ)齊教學(xué)內(nèi)容與工業(yè)發(fā)展之間的短板。過程控制工程現(xiàn)有教學(xué)素材是參考出版社提供的多媒體素材，該素材只能基本用于理論知識(shí)、基礎(chǔ)模型、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)等內(nèi)容的講解，而結(jié)合模糊控制系統(tǒng)、史密斯預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等化工生產(chǎn)工程案例的素材目前只能通過教材內(nèi)容結(jié)合教師的知識(shí)儲(chǔ)備講授。使得學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)理解深度較為有限(控制系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)與構(gòu)成、過程機(jī)械工作原理、隨工業(yè)生產(chǎn)性能變化)，無(wú)法拓展學(xué)生的知識(shí)面和對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的視野。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)介

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面、數(shù)據(jù)變化界面、功能界面等選項(xiàng)采用組態(tài)王進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制算法使用Matlab/Simulink工具箱編程，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自動(dòng)切換控制算法。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能上可分為：

2.1 基本概念描述模塊

①過程控制的術(shù)語(yǔ)與目標(biāo)；②反饋控制系統(tǒng)的分類；③工業(yè)控制機(jī)理建模方法；④PID控制器各參數(shù)概述；⑤相對(duì)增益的概念；⑥史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制原理；⑦間歇生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)原理；⑧自適應(yīng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介。

2.2 過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

①單容水箱水位自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)(臨界比值法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法)；②雙容水箱水位自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)(單回路與串級(jí)控制對(duì)比、串級(jí)回路參數(shù)自設(shè)計(jì))；③三容水箱水位自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)(動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)、靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)、前饋-反饋控制、前饋-串級(jí)控制)；④鍋爐水溫及液位自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)(灰色預(yù)測(cè)模糊控制系統(tǒng)、史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng))、MIMO受約束動(dòng)態(tài)矩陣控制系統(tǒng)；⑤比值控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)(單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng))[7]。

2.3 過程參數(shù)監(jiān)控模塊

①歷史數(shù)據(jù)查詢模塊；②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢模塊；③實(shí)時(shí)曲線顯示模塊；④歷史曲線顯示模塊；⑤報(bào)表統(tǒng)計(jì)查詢模塊；⑥操作時(shí)間計(jì)時(shí)模塊。

2.4 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊

自動(dòng)調(diào)用KINGVIEW軟件和Matlab軟件，創(chuàng)造性提供了平臺(tái)學(xué)生可對(duì)感興趣的控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自行設(shè)計(jì)與調(diào)試，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的科研積極性和創(chuàng)造性。

3 教學(xué)改革具體實(shí)踐過程

“過程控制工程”課程內(nèi)容綜合了流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械原理與結(jié)構(gòu)、儀表選型與應(yīng)用等知識(shí)點(diǎn)，屬于典型的多學(xué)科交叉課程。經(jīng)過課題組多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與思考，通過注重基本理論的拓展、更改教學(xué)模式、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)，采取理論內(nèi)容課前預(yù)習(xí)、課上輕理論重過程系統(tǒng)、課后實(shí)操仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)結(jié)構(gòu)，以此強(qiáng)化教學(xué)效果，鞏固教學(xué)內(nèi)容中重難知識(shí)點(diǎn)。

3.1 理論知識(shí)與簡(jiǎn)單過程系統(tǒng)重組

為夯實(shí)課程基礎(chǔ)知識(shí)，加強(qiáng)基本概念理解，對(duì)基礎(chǔ)建模過程公式推導(dǎo)采用黑板板書的方式進(jìn)行。教師板書過程中學(xué)生有時(shí)間進(jìn)行思考，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)建模過程的理解程度強(qiáng)化，教師即興講解的授課效果，增強(qiáng)課堂教與學(xué)的互動(dòng)性?；A(chǔ)建模不局限于教程中提供的內(nèi)容，同時(shí)篩選內(nèi)容典型、基礎(chǔ)理論易懂、章節(jié)有銜接過渡的簡(jiǎn)單過程系統(tǒng)與理論知識(shí)章節(jié)重組，加入行業(yè)背景、控制模型，著重講解控制方法、控制技術(shù)、控制策略，拓寬教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)素材。例如對(duì)于攪拌器內(nèi)部流體在葉輪旋轉(zhuǎn)作用下，流體運(yùn)行速度、流速分布、壓強(qiáng)分布、流質(zhì)分布等現(xiàn)象，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行建模仿真分析攪拌器內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律，同時(shí)使用Fluent軟件輸出攪拌動(dòng)態(tài)視頻，增加課程教學(xué)的生動(dòng)性，有助于學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)更直觀的將基礎(chǔ)理論與控制過程進(jìn)行合理銜接。

3.2 開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)制作過程

組態(tài)軟件(KINGVIEW)作為工業(yè)控制廣泛使用的軟件平臺(tái)，具有人機(jī)畫面友好、通訊設(shè)備兼容廣泛、系統(tǒng)集成效率高、控制性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)[8]。Matlab/Simulink 軟件具有豐富的函數(shù)接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，廣泛用于自動(dòng)化控制仿真模擬領(lǐng)域。課題組在開展日常教學(xué)的同時(shí)召集對(duì)科學(xué)研究感興趣的不同年級(jí)學(xué)生組成興趣小組，通過前期基本的軟件功能培訓(xùn)與指導(dǎo)，將用于課程教學(xué)的仿真實(shí)驗(yàn)制作過程開源，由淺入深的調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，將穩(wěn)定可靠的方案引入到課堂教學(xué)中，不斷豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材。

3.3 培養(yǎng)學(xué)生理論到創(chuàng)新的飛躍

在培養(yǎng)興趣小組學(xué)生開展簡(jiǎn)單科研工作的同時(shí)，鼓勵(lì)小組成員將制作的控制系統(tǒng)(空調(diào)溫度自適應(yīng)控制系統(tǒng)、混凝釜變速攪拌系統(tǒng)、多相流混合控制系統(tǒng)等)用于參加“大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽”等課外比賽中，參與各項(xiàng)比賽的過程不僅能提高學(xué)生自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生將理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力，而且能提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力，拓寬學(xué)生知識(shí)面，最終實(shí)現(xiàn)課程理論到科技創(chuàng)新質(zhì)的飛躍。

4 教學(xué)改革總結(jié)

課題組在講授過程控制工程課程時(shí)采用制作的與各章節(jié)精密聯(lián)系的虛擬控制實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革措施極大的激發(fā)了學(xué)生獨(dú)立思考、分析與解決問題的能力；開放式的實(shí)驗(yàn)制作過程培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，學(xué)生由“被灌輸” 式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤梆嚳市汀笔綄W(xué)習(xí)。

過程控制工程教程中的理論與工業(yè)生產(chǎn)控制結(jié)合緊密、內(nèi)容廣且深、實(shí)踐性強(qiáng),開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將基礎(chǔ)理論知識(shí)與不同過程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重組，改變以往先理論再控制系統(tǒng)的教學(xué)方式，將基本理論與控制系統(tǒng)進(jìn)行交叉講解，夯實(shí)了學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)，并運(yùn)用教學(xué)效果反饋完善實(shí)驗(yàn)，最大化提高學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的接納度。

在調(diào)動(dòng)不同年級(jí)學(xué)生積極性的基礎(chǔ)上成立興趣小組，幫助熱愛科學(xué)研究和課外知識(shí)的學(xué)生拓寬知識(shí)結(jié)構(gòu)和視野，幫助學(xué)生培養(yǎng)搜集資料、查閱文獻(xiàn)、嘗試解決科學(xué)問題的科研能力，鼓勵(lì)學(xué)生將小組的創(chuàng)新成果用于參加各類課外比賽活動(dòng)，對(duì)過程控制工程課程教學(xué)過程進(jìn)行改革與探索，不僅實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與實(shí)踐操作的結(jié)合，更很大程度上提高了學(xué)生對(duì)過程控制工程的學(xué)習(xí)興趣。