于新業(yè)+易藝+竇文淼

【摘 要】本文針對(duì)獨(dú)立學(xué)院“過程控制”課程教學(xué)中存在的內(nèi)容涉及范圍廣、工程實(shí)踐性強(qiáng)等問題，提出在“過程控制”課程教學(xué)中采用理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)三合一的教學(xué)模式，并將Matlab/Simulink、PLC、單片機(jī)等相關(guān)知識(shí)穿插在“過程控制”課程的不同階段，使該課程的軟件與硬件、理論與實(shí)踐等知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，探索出有助于培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】獨(dú)立學(xué)院 過程控制課程 實(shí)踐教學(xué) 教學(xué)模式

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）03C-0066-02

過程控制是自動(dòng)化專業(yè)極為重要的專業(yè)課程。由于該課程具有內(nèi)容涉及面廣、緊跟學(xué)科發(fā)展的前沿、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合等眾多特點(diǎn)，因此學(xué)生很難理解和掌握該課程的內(nèi)容，做不到融會(huì)貫通。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)絕大多數(shù)高校開設(shè)過程控制課程的理論教學(xué)大部分采用多媒體課件進(jìn)行授課。為了給學(xué)生獲得工程現(xiàn)場(chǎng)的感性認(rèn)識(shí)，教師在授課的過程中，除了講授理論知識(shí)外，還展示了大量的工程現(xiàn)場(chǎng)圖片或視頻。課程的實(shí)驗(yàn)通常采用兩種方法：第一，學(xué)生在購買或自主研發(fā)的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第二，學(xué)生利用Simulink 軟件，利用Simulink 建模和控制算法仿真對(duì)工業(yè)對(duì)象進(jìn)行單純的控制算法仿真驗(yàn)證。由于學(xué)生從學(xué)完課程的理論知識(shí)到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間一般很久，因此，對(duì)于第一種實(shí)驗(yàn)方法，大部分學(xué)生往往會(huì)忘記很多理論知識(shí)，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間有限，很多同學(xué)難以完成實(shí)驗(yàn)，更談不上將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去，做到學(xué)以致用。而對(duì)于第二種實(shí)驗(yàn)方法，由于學(xué)生采用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有硬件的支撐，因此學(xué)生很難有工程環(huán)境的概念。針對(duì)過程控制課程教學(xué)存在的問題，本文從獨(dú)立學(xué)院培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力這一目標(biāo)出發(fā)，對(duì)該課程進(jìn)行了教學(xué)改革探索。

一、教學(xué)模式設(shè)計(jì)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)過程控制實(shí)驗(yàn)室具有兩套由杭州云創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司提供的YCGK-1型過程控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置和41臺(tái)計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)裝置由如圖1所示的實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)（PLC、采集卡、DDC控制模塊）以及上位監(jiān)控PC機(jī)共三部分組成。該實(shí)驗(yàn)裝置將自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)集為一體，可實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等熱工參數(shù)的控制，系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，單回路控制，串級(jí)控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制方式。實(shí)驗(yàn)裝置可以連接局域網(wǎng)，并通過局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種控制方式的選擇。教學(xué)模式從理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)共三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際情況和學(xué)生的接受能力進(jìn)行安排，使它們成為一個(gè)有機(jī)的教學(xué)整體。教學(xué)模式具體設(shè)計(jì)和做法如下：

過程控制課程的研究內(nèi)容、分類、發(fā)展、任務(wù)、工程表示及指標(biāo)等內(nèi)容安排在理論課堂上完成，課堂上將要講授的內(nèi)容通過文字、圖片和視頻等多媒體方式展示給學(xué)生，使要講授的理論知識(shí)點(diǎn)盡可能的容易理解，做到通俗易懂。

對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立是生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)良好控制必不可少的條件，因此，對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立內(nèi)容是過程控制課程教學(xué)的重點(diǎn)之一，除了理論知識(shí)的教學(xué)外，該部分內(nèi)容還應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，采用Matlab/Simulink軟件對(duì)過程對(duì)象進(jìn)行建模與分析計(jì)算。

單回路控制系統(tǒng)（簡單控制系統(tǒng)）是所有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其他的控制系統(tǒng)多數(shù)以單回路控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，而且該部分內(nèi)容涵蓋了單回路控制系統(tǒng)各組成部分的模型（傳遞函數(shù)）分析、各部分相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響、執(zhí)行器的選擇、控制器的選擇、控制規(guī)律的選擇、控制參數(shù)的整定等多方面內(nèi)容。因此，該部分內(nèi)容既是課程教學(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，在增加理論知識(shí)課時(shí)量的同時(shí)，更應(yīng)注重該部分內(nèi)容的工程實(shí)踐應(yīng)用，增加學(xué)生親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)該部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用DDC控制系統(tǒng)。

串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、選擇控制和其他控制系統(tǒng)的教學(xué)，采用在理論課堂上將其基本原理介紹清楚（單回路控制系統(tǒng)的延伸），對(duì)其中較為典型的串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的課時(shí)數(shù)安排了16學(xué)時(shí)，4個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，并進(jìn)行了開放性實(shí)驗(yàn)，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，做到學(xué)以致用。由于實(shí)驗(yàn)室只有2臺(tái)過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不能讓每個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行操作，因此只能讓學(xué)生分時(shí)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，沒有輪到使用到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的仿真任務(wù)練習(xí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)分為4個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別為：（1）過程對(duì)象的建模實(shí)驗(yàn)；（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)識(shí)及儀表特性實(shí)驗(yàn)；（3）單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定；（4）串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購時(shí)，要求廠家將所有傳感器與執(zhí)行器的信號(hào)接口留出。為了進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，利用實(shí)驗(yàn)室有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)了該課程的實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)題目設(shè)計(jì)有：（1）單容水箱液位控制系統(tǒng)；（2）鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)。要求學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的傳感器與執(zhí)行器接口，自行設(shè)計(jì)控制回路（不使用實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)上的PLC、采集卡和DDC控制模塊），可以使用單片機(jī)、PLC和模擬/數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。

過程控制課程中使用到的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)內(nèi)容安排在桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)的“工業(yè)通信網(wǎng)與控制技術(shù)”課程中進(jìn)行講授，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了以太網(wǎng)和RS485的使用和操作。

過程控制課程的教學(xué)模式采用理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)緊密結(jié)合，理論課將相關(guān)內(nèi)容講授完畢，立即安排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況設(shè)計(jì)3種難度（難、中、易）的實(shí)訓(xùn)題目供學(xué)生選擇，待理論課和實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，最后將實(shí)訓(xùn)作品與實(shí)際對(duì)象對(duì)接聯(lián)調(diào)，完成整個(gè)課程的教學(xué)，形成總結(jié)報(bào)告。

二、教學(xué)實(shí)施

過程控制課程的教學(xué)實(shí)施主要是把理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，使學(xué)生能把理論課堂的知識(shí)迅速地通過實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證而加強(qiáng)理解，并做到學(xué)以致用，不斷提高自身的工程應(yīng)用能力。教學(xué)實(shí)施過程如下：

首先，在理論課程中講授對(duì)象建模內(nèi)容后，便進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不熟悉，第一次實(shí)驗(yàn)中需要將用到的實(shí)驗(yàn)管道工藝流程圖和各個(gè)部件進(jìn)行講細(xì)說明。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是以單容水箱液位為對(duì)象進(jìn)行控制對(duì)象的建模，該部分內(nèi)容用到的對(duì)象是圖1中的3個(gè)水箱之一，以水箱3為例，需要打開V6（手動(dòng)排水閥）、1V3閥門（手動(dòng)進(jìn)水閥），用到的傳感器是液位3，執(zhí)行器為電動(dòng)閥DDF和增壓泵。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生2人一組操作，將1V3閥門全開，V6閥門開度為實(shí)驗(yàn)學(xué)生分組號(hào)的函數(shù)（V6不同的開度得到不同的對(duì)象模型，避免學(xué)生抄襲數(shù)據(jù)），施加階躍信號(hào)（電動(dòng)閥開度控制）便可得到水箱3液位變化數(shù)據(jù)及曲線，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)及曲線便可求取單容水箱液位的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置只有兩套，同一時(shí)刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生只有4人，其他的同學(xué)如果沒有安排任務(wù)將會(huì)閑著浪費(fèi)時(shí)間，因此必須安排其他相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)：（1）將水箱尺寸數(shù)據(jù)和閥的流量關(guān)系提供給學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)物理參數(shù)進(jìn)行機(jī)理法建立水箱的數(shù)學(xué)模型；（2）已經(jīng)測(cè)得數(shù)據(jù)的學(xué)生根據(jù)所測(cè)得數(shù)據(jù)求出水箱的數(shù)學(xué)模型，并與機(jī)理法求得的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較。

單回路控制系統(tǒng)部分的理論講主要分兩大部分：系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)分析部分設(shè)置實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)識(shí)及儀表特性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)裝置的管路特點(diǎn)，并對(duì)測(cè)量變送器與執(zhí)行器的特性進(jìn)行測(cè)試，即得到傳感器和執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型，該部分實(shí)驗(yàn)中同樣設(shè)置相關(guān)的仿真練習(xí)，如標(biāo)度變換、獲取的裝置數(shù)據(jù)分析等。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分設(shè)置單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)，根據(jù)要求與裝置中儀表的特性設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)（如單容水箱液位控制系統(tǒng)），并進(jìn)行控制參數(shù)的整定。沒有操作實(shí)驗(yàn)裝置的同學(xué)，則進(jìn)行給定系統(tǒng)的參數(shù)整定仿真練習(xí)和對(duì)已經(jīng)操作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。在這個(gè)階段，給學(xué)生設(shè)置實(shí)訓(xùn)的任務(wù)要求，要求學(xué)生廣泛查閱資料，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)題目的選擇，并進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

最后一部分和實(shí)踐相關(guān)的內(nèi)容選取了串級(jí)控制系統(tǒng)，該部分的教學(xué)設(shè)計(jì)與單回路控制系統(tǒng)類似。同時(shí)補(bǔ)充實(shí)訓(xùn)題目及要求。

整個(gè)課程教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)室資源對(duì)學(xué)生開放，在理論課程結(jié)束后，給學(xué)生兩周的時(shí)間完成實(shí)訓(xùn)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行參數(shù)整定，最后完成實(shí)訓(xùn)的驗(yàn)收和答辯工作。

三、結(jié)論

過程控制課程是集理論性與工程實(shí)踐性為一體的課程，將理論、實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)等各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合可以達(dá)到良好的教學(xué)效果，同時(shí)讓學(xué)生將仿真與單片機(jī)和PLC等系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)合到一起，達(dá)到知識(shí)綜合應(yīng)用的目的，該教學(xué)模式在自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了教學(xué)改革試點(diǎn)，獲得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生對(duì)過程控制課程中的過程控制對(duì)象、測(cè)量變送裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)有了深刻的認(rèn)識(shí)，基本能夠勝任常規(guī)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)等工作。

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【基金項(xiàng)目】2015年廣西高等教育本科教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目“自動(dòng)化儀表與過程控制課程教學(xué)改革研究”（2015JGA415）

【作者簡介】于新業(yè)（1979— ），男，山東平度人，碩士，桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院講師，工程師；易 藝（1983— ），男，廣西防城人，碩士，桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師；竇文淼（1984— ），女，天津?qū)氎嫒?，碩士，桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師。

（責(zé)編 王 一）