李天華，施國英，侯加林

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018)

0 引 言

過程控制系統(tǒng)的研究對象往往是具體生產(chǎn)流程中的鍋爐、反應(yīng)器、熱交換器、蒸餾塔等大型設(shè)備。其實(shí)驗(yàn)平臺通常是對工業(yè)生產(chǎn)流程的縮微，希望能在有限的空間中包含更多的對象以達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，這使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身的造價(jià)很高，限制了高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購買量。因此，現(xiàn)在大部分高校在過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都是多名學(xué)生共用一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺，許多學(xué)生只能觀察其實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，無法做到自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改革過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)刻不容緩［1］。

1 教學(xué)改革的目標(biāo)

針對過程控制系統(tǒng)這門課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，對教學(xué)方法做以下改進(jìn)［2］:

(1)教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化。跟上時(shí)代的發(fā)展，介紹當(dāng)今自動(dòng)化儀表技術(shù)發(fā)展主流和該領(lǐng)域的新思想、新方法。將先進(jìn)的檢測與控制儀表內(nèi)容作為教學(xué)的基本內(nèi)容，使他們具有較寬廣的知識面，較強(qiáng)的社會(huì)適應(yīng)能力。

(2)教學(xué)方法科學(xué)化。徹底改變單一的知識傳授型教學(xué)模式，從以課堂灌輸式教學(xué)為主的模式轉(zhuǎn)變到以“啟發(fā)式、研討式、交互式、實(shí)踐式、自學(xué)式”等緊密結(jié)合的教學(xué)模式上來。同時(shí)在注重學(xué)生素質(zhì)教育的同時(shí)，加強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，注意學(xué)生個(gè)性發(fā)展要求，全面因材施教，使“知識、能力、素質(zhì)”教育協(xié)調(diào)發(fā)展［3，12］。

(3)教學(xué)手段現(xiàn)代化。用先進(jìn)的教學(xué)軟件將抽象的課程內(nèi)容變成直觀具體的形式展現(xiàn)，學(xué)生便于學(xué)習(xí)與領(lǐng)會(huì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性［4］。

(4)教學(xué)大綱設(shè)置合理化。過去資金缺乏無實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能純理論教學(xué)，現(xiàn)在更改為理論學(xué)時(shí)不變(45學(xué)時(shí))，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)增加為9 學(xué)時(shí)，更增加了過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生真正有機(jī)會(huì)將所學(xué)知識融會(huì)貫通。

2 改革教學(xué)方法，注重能力培養(yǎng)

過程控制系統(tǒng)是專業(yè)的核心課程，內(nèi)容繁雜，既有理論性較強(qiáng)的自動(dòng)控制理論，又有實(shí)用性較強(qiáng)的檢測技術(shù)及其儀器儀表，還涉及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，經(jīng)過幾年的傳統(tǒng)教學(xué)方法實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在對理論知識的理解存在困難。并且本門課程安排在大四的上學(xué)期，很多同學(xué)忙于考研復(fù)習(xí)，不肯花過多的時(shí)間在晦澀難懂的課程上，故對本課程的多媒體教學(xué)課件進(jìn)行重新制作，教學(xué)過程中引入許多工程性內(nèi)容［5，13，15］，使內(nèi)容更加生動(dòng)形象便于理解，以此吸引同學(xué)們的興趣。

2.1 動(dòng)畫圖形更加豐富

為了加深印象，幫助學(xué)生理解抽象的理論和概念，課件制作了一些圖片和動(dòng)畫［6］，還添加了一些現(xiàn)場視頻。這樣一方面便于教師講述，另一方面可幫助學(xué)生直觀理解。例如，我們在講解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例時(shí)，以油庫裝卸系統(tǒng)為例，將油庫裝卸的現(xiàn)場用動(dòng)畫直觀的演示出來［7，11］，生動(dòng)而形象地表達(dá)了工業(yè)生產(chǎn)過程。如圖1 所示。

圖1 動(dòng)畫組態(tài)油庫裝卸系統(tǒng)現(xiàn)場

2.2 仿真軟件發(fā)揮作用

本課程的特點(diǎn)是運(yùn)用控制理論對常見的過程控制系統(tǒng)加以論證，進(jìn)行必要的定量或定性分析。為了讓學(xué)生更容易理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，我們在課堂上用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以Matlab 軟件為工具，對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究［8-9］。

例如，已知一個(gè)單位負(fù)反饋系統(tǒng)為:

試?yán)L制該系統(tǒng)當(dāng)k 分別為1.4，2.25，3.5 時(shí)的單位階躍給定響應(yīng)曲線。

Matlab 程序代碼如下:

執(zhí)行程序后，得到如圖2 所示標(biāo)注有其對應(yīng)參數(shù)的3 條單位階躍響應(yīng)曲線。由曲線可以看出，當(dāng)k =1.4 時(shí)，階躍響應(yīng)衰減振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定;當(dāng)k =2.25 時(shí)，響應(yīng)等幅振蕩，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定;當(dāng)k=3.5 時(shí)，響應(yīng)振蕩發(fā)散，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖2 單位負(fù)反饋系統(tǒng)的三條階躍響應(yīng)曲線

3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高學(xué)生應(yīng)用能力

我們學(xué)校的過程控制實(shí)驗(yàn)室有6 套天煌教儀制造的THKGK-1 型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，能夠開設(shè)本課程的全部實(shí)驗(yàn)。我們對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化整合，采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，把一些前沿的自動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。并采取改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩種方法對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革，取得了一定的效果。

3.1 改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生掌握基本的理論知識，訓(xùn)練基本的實(shí)踐能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)重在培養(yǎng)學(xué)生自主性和創(chuàng)造性。

3.1.1 演示及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生能夠?qū)φ麄€(gè)過程控制儀器裝置有一定了解，掌握基本的過程控制理論。我們用3 學(xué)時(shí)做單容水箱特性的測試和鍋爐內(nèi)膽特性測試兩個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以學(xué)習(xí)測定被控對象特性的方法。

3.1.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

由于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置臺數(shù)相對較少，并且價(jià)格昂貴，為了能減少對設(shè)備的損壞，同時(shí)也為了讓所有的學(xué)生都能對課堂學(xué)習(xí)的知識有更深的認(rèn)識，所以先讓學(xué)生利用Matlab 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，確定自己設(shè)置的參數(shù)可行后再到實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)做3 個(gè)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)占2 學(xué)時(shí)。

(1)單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。①雙容水箱液位定值控制系統(tǒng)，②鍋爐內(nèi)膽動(dòng)態(tài)水溫定值控制系統(tǒng)，③電動(dòng)閥支路流量的定值控制系統(tǒng);

(2)串級控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。①下水箱液位與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量的串級控制系統(tǒng)，②盤管出水口水溫與鍋爐內(nèi)膽水溫的串級控制系統(tǒng);

(3)比值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。①單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)，②雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng);

(4)前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。①鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋-反饋控制系統(tǒng)，②下水箱液位的前饋-反饋控制系統(tǒng)。

這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，由特殊到一般，每個(gè)知識點(diǎn)下面都包含2 ～3 個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從中選擇3 個(gè)實(shí)驗(yàn)在課內(nèi)來做。通過做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深了對單個(gè)控制方案的理解，并為如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了方法。

3.2 開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)

我們對必修的過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)給出一些題目［10，14］，比如液位控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、鍋爐汽包溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、跳汰機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。學(xué)生從中選擇一個(gè)題目，也可自己找合適的題目完成，此設(shè)計(jì)課程占1 學(xué)分。這些題目都是學(xué)生利用課余時(shí)間自己確定設(shè)計(jì)方案，先通過軟件仿真確定可行后，再進(jìn)行系統(tǒng)測試，最終還要寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。整個(gè)環(huán)節(jié)都是以學(xué)生為中心，教師只是起到輔助作用，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中對過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一個(gè)完整、系統(tǒng)的掌握。

3.3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核形式

改革后的考核形式更注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整個(gè)過程，成績由三環(huán)節(jié)組成:預(yù)習(xí)抽查、現(xiàn)場操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告。重在操作過程，結(jié)合書面考察，全面評定總成績;平時(shí)成績考評貫穿于全學(xué)期的各個(gè)實(shí)驗(yàn)之中，貫穿于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之中。具體成績分布如表1 所示。

表1 各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所占實(shí)驗(yàn)課總成績比例%

4 “過程控制系統(tǒng)”教學(xué)改革效果

通過“過程控制系統(tǒng)”的課堂教學(xué)改革，使學(xué)生很好地理解和掌握各部分的知識，對和課程相關(guān)的一些基礎(chǔ)理論也有了全新的認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生的工程概念和能力。通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用到工程實(shí)踐中，提高了動(dòng)手能力，鍛煉了分析問題和解決問題的能力。通過本課程的教學(xué)改革，學(xué)生對控制系統(tǒng)的有關(guān)概念和環(huán)節(jié)有了更好的理解，掌握了基本的設(shè)計(jì)流程，在一定程度上可以幫助他們更好地完成有關(guān)工程設(shè)計(jì)工作。

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