楊海勇

摘 要：過程控制及儀表是自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，是一門控制理論和工程實踐相結(jié)合的課程。為了進(jìn)一步提高課程的教學(xué)效果，提升學(xué)生的應(yīng)用能力，該文對課程的教學(xué)方式和實踐教學(xué)方案進(jìn)行一些改革探討。主要采用項目導(dǎo)向法，引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，圍繞一個具體的項目進(jìn)行探究式的學(xué)習(xí)；將MATLAB仿真全面引入理論教學(xué)和實驗教學(xué)中，提高了教學(xué)質(zhì)量。經(jīng)過兩年的教學(xué)改革實踐檢驗，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情明顯提高，操作能力加強(qiáng)，取得了較好的改革效果。

關(guān)鍵詞：過程控制 教學(xué)方式 項目導(dǎo)向法 MATLAB仿真

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0158-01

過程控制是自動化專業(yè)的一個重要方向，其應(yīng)用面向化工、建材、鋼鐵、火力發(fā)電、制藥等許多現(xiàn)代化工業(yè)部門[1]。通過生產(chǎn)過程的自動化控制，使工業(yè)生產(chǎn)符合工藝流程，將一些關(guān)鍵參數(shù)如溫度、流量、壓力、液位等穩(wěn)定在工藝要求的給定值附近，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，使工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定地運行在最佳工況下。

過程控制及儀表課程是自動化專業(yè)的重要專業(yè)課，課程內(nèi)容較多，既要學(xué)習(xí)各種類型的過程控制系統(tǒng)，又要學(xué)習(xí)檢測儀表、控制儀表，還要熟悉必要的生產(chǎn)工藝和對象的動態(tài)特性。這些控制理論和技術(shù)讓學(xué)生感覺抽象，不容易深入理解。

為了使課程的理論教學(xué)變抽象為具體，使教學(xué)內(nèi)容形象生動，使教學(xué)目標(biāo)清晰明確，需要我們在教學(xué)方式方面進(jìn)行必要的改革。經(jīng)過近兩年的探索和實踐，特別是將MATLAB仿真全面引入課堂演示和實驗教學(xué)中，取得了明顯的效果，下面對具體的方法做些介紹。

1 教學(xué)方式的改革

1.1 項目導(dǎo)向法提高教學(xué)效果

以前理論課的教學(xué)基本是按教材目錄順序，分章節(jié)對各個知識點分別講授，大部分內(nèi)容學(xué)完后，才會出現(xiàn)具體的工業(yè)應(yīng)用的例子。這種按部就班的講授常常給學(xué)生帶來一些疑惑，學(xué)生們在前期大部分學(xué)習(xí)時間里，都不能清醒認(rèn)識所學(xué)的理論知識能在哪里具體應(yīng)用，由于學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)動力也不足，反而認(rèn)為理論抽象，不好理解。

采用項目導(dǎo)向法可以較好的解決上述學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確的問題。

項目導(dǎo)向法主要圍繞一個具體的項目進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生帶著實際的任務(wù)進(jìn)行探究式的學(xué)習(xí)，所學(xué)習(xí)的知識點組合應(yīng)用起來，可以完成這個項目。因為學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，能極大的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，自然就能提高學(xué)習(xí)效果。當(dāng)然，具體的項目要選好，實現(xiàn)項目的相關(guān)知識點和主體教學(xué)內(nèi)容大體符合。

經(jīng)過對教學(xué)內(nèi)容的權(quán)衡考查，決定選用鍋爐汽包水位的前饋—串級控制系統(tǒng)作為一個典型的工業(yè)項目，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究學(xué)習(xí)。因為這個項目需要用到的知識點正是教材中大部分章節(jié)的內(nèi)容。要克服汽包水位動態(tài)特性中“虛假水位”的影響，實現(xiàn)水位的精準(zhǔn)控制，需要比較多種常規(guī)控制方案的優(yōu)劣，要分別學(xué)習(xí)單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，然后選定前饋—串級控制方案。后續(xù)工程應(yīng)用技術(shù)還包括調(diào)節(jié)閥的選取，調(diào)節(jié)器的正、反作用的設(shè)定，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等重要知識點。這樣，通過一個具體項目就能將很多教學(xué)內(nèi)容組織起來進(jìn)行教學(xué)。

這就是項目導(dǎo)向法，先有項目應(yīng)用，有任務(wù)，目標(biāo)明確了再學(xué)習(xí)具體的知識點，經(jīng)過比較研究，尋找解決項目問題的方案或方法。

在實施項目導(dǎo)向法的教學(xué)過程中，可以明顯感到學(xué)生們對實際工業(yè)項目是很感興趣的，也樂于探求控制技術(shù)和控制方案，因此在學(xué)習(xí)具體知識點時積極主動，效率很高。

1.2 將MATLAB仿真演示引入理論教學(xué)

本課程的教學(xué)內(nèi)容中包括較多的理論和公式推導(dǎo)，按常規(guī)教學(xué)方法講解分析，花費時間較多，影響課堂效率。我們使用MATLAB軟件里的Simulink仿真工具，構(gòu)造仿真模型，針對目標(biāo)知識點進(jìn)行仿真演示，形象直觀的仿真結(jié)果有助于學(xué)生的理解記憶。

例如講解PID控制規(guī)律時，僅僅講述公式和特點，學(xué)生并不容易真正理解，也就不能靈活運用。對于這種重要知識點，再增加一些仿真演示就能幫助學(xué)生加深理解?？梢詷?gòu)造一個單回路控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型，選用仿真軟件集成的標(biāo)準(zhǔn)PID控制模塊，適當(dāng)修改PID參數(shù)，運行仿真來演示純比例控制作用時，會有余差存在；再加入適當(dāng)?shù)姆e分作用，可以消除余差。當(dāng)然，還可以改變積分系數(shù)，讓學(xué)生注意觀察響應(yīng)曲線振蕩幅度的大小，從而總結(jié)出積分作用的強(qiáng)弱對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

這些仿真演示不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對知識點的理解記憶，更提供了一種仿真研究方法，有利于后續(xù)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法的教學(xué)。

2 開發(fā)仿真實驗軟件，進(jìn)行實驗教學(xué)的改革

過程控制及儀表是一門綜合性應(yīng)用型的課程，對相應(yīng)的實踐教學(xué)要給予充分的重視。

我校過程控制實驗室先后引進(jìn)了4套THKGK-1過程控制實驗裝置，不僅能實現(xiàn)常規(guī)PID控制，還能實現(xiàn)單片機(jī)控制、計算機(jī)控制等多種控制方式。但這些實驗裝置價格昂貴，繼續(xù)大批量的購買并不現(xiàn)實，而參與實驗的學(xué)生人數(shù)眾多，為了增加學(xué)生實驗操作機(jī)會，考慮用MATLAB/Simulink開發(fā)過程控制實驗仿真軟件，這樣不增加實驗投入，使用已有機(jī)房就能開展實驗。由于計算機(jī)仿真技術(shù)能方便修改參數(shù)，并快速實現(xiàn)仿真，還能獲得比常規(guī)實驗裝置更好的實驗效果。

所開發(fā)的過程控制實驗仿真軟件包含6個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對應(yīng)一個實驗項目，分別是單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)。子系統(tǒng)內(nèi)是控制系統(tǒng)對應(yīng)的Simulink仿真模型，其中控制器的PID參數(shù)可以按需要修改，即主要訓(xùn)練PID參數(shù)整定的方法，使學(xué)生掌握參數(shù)整定的步驟和方法，增加操作經(jīng)驗。

將上述實驗仿真軟件投入教學(xué)運行后，每個學(xué)生都能參與實驗訓(xùn)練，通過修改PID參數(shù)觀察相應(yīng)的響應(yīng)曲線，逐步提升控制質(zhì)量。這些仿真訓(xùn)練能積累豐富的經(jīng)驗，再到實驗裝置平臺訓(xùn)練時就感覺得心應(yīng)手，整體實驗教學(xué)效果有了顯著的提高。

3 結(jié)語

以上是筆者在過程控制及儀表課程教學(xué)改革工作中的一些思考和探索。通過教學(xué)方式改革，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高學(xué)習(xí)興趣，將MATLAB仿真全面融合于教學(xué)中，能起到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 李國勇，程永強(qiáng).計算機(jī)仿真技術(shù)與CAD[M].北京：電子工業(yè)出版，2012.endprint