中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI:10.16400/j.cnki.kjdk.2025.16.025

Practice of Process Control Course Reform Guided by Intelligent Manufacturing Competition

XU Chen， XIELi，TANG Ze

(School of Internet of Things Engineering，Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu )

AbstractThe article explores the teaching reform and practice of process controlcourses under the guidance of the Intelligent Manufacturing Competition (Siemens Cup China Intellgent Manufacturing Challenge). By analyzing the characteristics of the Intelligent Manufacturing Challenge and its implications for process control course teaching， a framework for theoretical teaching and experimental reform based on the Intelligent Manufacturing Competition is constructed.The results show that integrating the Inteligent Manufacturing Competition into processcontrol courses canenhance students'understandingoffoundational knowledgeand improve their practical skils.Additionally，the article elaborates on the applicationofthe SMPT-10 processcontrol system，used in the process-related segmentof the Intelligent Manufacturing Competition，in experimental teaching，and demonstrates the outcomes ofthereformed teachingapproach.The article provides new ideaand practical example for the reform of engineering education curricula， offering guidance for cultivating high-quality talent to meet the demands of intelligent manufacturing. Keywordsintelligent manufacturing competition; process control; teaching reform; SMPT-1000

在工業(yè)4.0背景下，智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢。作為智能制造的核心技術(shù)之一，過程控制在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色[13]。然而，傳統(tǒng)的過程控制課程教學(xué)往往偏重理論知識的傳授，缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對復(fù)合型人才的需求。在此背景下，探索過程控制課程教學(xué)模式改革，以提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，成為當(dāng)前工程教育領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

智能制造大賽(“西門子杯\"中國智能制造挑戰(zhàn)賽)作為一項(xiàng)全國性的大學(xué)生競賽，為過程控制課程教學(xué)改革提供了新的思路[45]。該賽事以實(shí)際工業(yè)問題為導(dǎo)向，要求學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識解決復(fù)雜的工程問題，與過程控制課程的教學(xué)目標(biāo)高度契合。因此，探索將智能制造大賽融入過程控制課程教學(xué)改革，不僅能夠提高課程的教學(xué)質(zhì)量，還能為培養(yǎng)適應(yīng)智能制造需求的高素質(zhì)人才提供有力支撐。

文章旨在研究智能制造大賽引導(dǎo)下的過程控制課程教學(xué)改革與實(shí)踐。通過分析智能制造大賽的特點(diǎn)，研究基于該賽事的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)改革方案，并探討SMPT一1000在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。改革后的教學(xué)效果說明了改革方案的成效，可為工程教育課程改革與實(shí)踐提供新思路。

1智能制造大賽簡介

智能制造大賽，即“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽，是受教育部國際合作與交流司指導(dǎo)，由中國仿真學(xué)會和西門子（中國）有限公司聯(lián)合主辦的一項(xiàng)全國性的大學(xué)生科技競賽[6]。比賽內(nèi)容涵蓋工業(yè)自動化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造系統(tǒng)等多個方向，要求參賽隊(duì)伍綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的知識，解決復(fù)雜的工程實(shí)際問題。賽事采用團(tuán)隊(duì)競賽形式，每支隊(duì)伍由2一3名學(xué)生組成，在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下完成方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)。

智能制造大賽的賽項(xiàng)設(shè)置充分體現(xiàn)了智能制造領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢和技術(shù)需求。目前，智能制造大賽主要設(shè)有以下幾個賽項(xiàng)：流程行業(yè)自動化、離散行業(yè)自動化（邏輯算法)、離散行業(yè)自動化（工程實(shí)踐)、離散行業(yè)運(yùn)動控制、信息化網(wǎng)絡(luò)化、智能設(shè)備設(shè)計(jì)與數(shù)字孿生制造、自由探索等。其中，流程行業(yè)自動化賽項(xiàng)與過程控制課程的教學(xué)內(nèi)容最為相關(guān)，是文章重點(diǎn)關(guān)注的對象。

流程行業(yè)自動化賽項(xiàng)以生產(chǎn)過程的升級改造為背景，要求參賽隊(duì)伍設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)。比賽內(nèi)容通常包括過程建模、控制方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真和實(shí)際調(diào)試等環(huán)節(jié)，涵蓋了過程控制課程的核心知識點(diǎn)。例如，在某屆比賽中，參賽隊(duì)伍需要為一反應(yīng)工藝過程設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制策略，并利用現(xiàn)場提供的PLC等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。這種基于實(shí)際工業(yè)場景的賽題設(shè)計(jì)，不僅考驗(yàn)了學(xué)生的理論知識掌握程度，還要求他們具備解決復(fù)雜工程問題的能力。

2過程控制課程教學(xué)內(nèi)容及問題

2.1教學(xué)內(nèi)容

過程控制課程是自動化類專業(yè)的重要核心課程，其主要內(nèi)容包括過程控制系統(tǒng)的基本概念、建模方法、控制方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面[8。具體而言，課程通常涵蓋以下幾個模塊：過程控制基礎(chǔ)知識、過程建模、常規(guī)控制策略、先進(jìn)控制方案、控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)等。

在過程控制基礎(chǔ)知識模塊中，學(xué)生需要掌握過程控制系統(tǒng)的組成、分類和性能指標(biāo)等基本概念。過程建模模塊則著重介紹如何利用機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)方法建立過程模型。常規(guī)控制策略模塊主要講解PID控制原理及其參數(shù)整定方法，這是工業(yè)過程控制中最常用的控制方法。先進(jìn)控制方案模塊則介紹了一些復(fù)雜的控制策略，如串級控制、前饋控制、選擇性控制等，這些方法在處理復(fù)雜工業(yè)過程時具有優(yōu)勢。最后，在控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中，學(xué)生需要綜合運(yùn)用所學(xué)知識，完成一個完整的過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2存在問題

① 理論與實(shí)踐脫節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)過程過于注重理論知識的傳授，而忽視了實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要性。學(xué)生雖然掌握了大量的理論知識，但缺乏將這些知識應(yīng)用于實(shí)際工程問題的能力。這種理論與實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生在面對真實(shí)工業(yè)場景時往往感到無所適從。

② 教學(xué)方法和手段單一。傳統(tǒng)的教學(xué)過程以教師講授為主，學(xué)生被動接受知識，缺乏主動思考和創(chuàng)新的機(jī)會。這種單向的知識傳遞模式，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的能力。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)往往局限于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新潛能。

③ 考核評價體系不夠完善。目前的課程考核仍以期末考試為主，側(cè)重于對理論知識的考查，而忽視了對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的評估。這種單一的考核方式，難以全面反映學(xué)生的綜合素質(zhì)，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

這些問題嚴(yán)重制約了過程控制課程的教學(xué)效果，也影響了學(xué)生畢業(yè)后適應(yīng)業(yè)界需求的能力。因此，亟須對過程控制課程進(jìn)行改革，以培養(yǎng)適應(yīng)智能制造需求的高素質(zhì)人才。

3過程控制課程改革實(shí)踐

3.1基于智能制造大賽的理論教學(xué)改革

針對傳統(tǒng)過程控制課程教學(xué)中存在的問題，本部分結(jié)合智能制造大賽給出理論教學(xué)改革措施。在課程內(nèi)容方面，以智能制造大賽賽題為導(dǎo)向，對原有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)和更新。具體而言，增加先進(jìn)控制方案、數(shù)據(jù)分析等與現(xiàn)代智能制造密切相關(guān)的內(nèi)容，刪減了一些過時或?qū)嵱眯圆粡?qiáng)的內(nèi)容。例如，教師在講解PID控制時，不僅介紹傳統(tǒng)的參數(shù)整定方法，還引入了基于人工智能的自整定算法，并結(jié)合智能制造大賽賽題中的實(shí)際案例進(jìn)行講解。

課程教學(xué)中采用以問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式。每章內(nèi)容都圍繞一個典型的智能制造大賽賽題展開，通過提出問題、分析問題、解決問題的過程，引導(dǎo)學(xué)生主動思考和探索。例如，教師在講解過程建模時，以某屆智能制造大賽流程行業(yè)自動化賽題中的鍋爐系統(tǒng)為例，引導(dǎo)學(xué)生分析系統(tǒng)特性、建立數(shù)學(xué)模型，并討論不同控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)。這種基于實(shí)際問題的教學(xué)方式，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還培養(yǎng)了他們的工程思維能力。

引入案例教學(xué)法，將歷年智能制造大賽的優(yōu)秀作品作為教學(xué)案例。通過分析這些案例，學(xué)生可以了解如何將理論知識應(yīng)用于實(shí)際工程問題，學(xué)習(xí)優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的問題解決思路和創(chuàng)新方法。同時，邀請智能制造大賽的獲獎團(tuán)隊(duì)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分享，讓學(xué)生近距離感受競賽氛圍，激發(fā)他們的參與熱情。

通過這些改革措施，可將智能制造大賽的競賽元素融入理論教學(xué)，不僅更新了課程內(nèi)容，還創(chuàng)新了教學(xué)方法，有

科教導(dǎo)刊

效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

3.2基于智能制造大賽的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)改革

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，課程組以智能制造大賽為導(dǎo)向，對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行改革。首先，引入了SMPT一1000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9-10]，該系統(tǒng)能夠模擬多種工業(yè)過程，如鍋爐系統(tǒng)、換熱器系統(tǒng)等，為學(xué)生提供了一個接近真實(shí)的工業(yè)控制環(huán)境。通過SMPT一1000，學(xué)生可以進(jìn)行從過程建模、控制器設(shè)計(jì)、控制方案選擇到系統(tǒng)調(diào)試的完整實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐性和綜合性。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，課程組參考智能制造大賽賽題，開發(fā)了一系列綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，設(shè)計(jì)一個基于SMPT一1000的鍋爐控制實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生完成從系統(tǒng)辨識、PID參數(shù)整定到先進(jìn)控制策略設(shè)計(jì)的全過程。這個實(shí)驗(yàn)不僅涵蓋了過程控制課程的核心知識點(diǎn)，還要求學(xué)生綜合運(yùn)用MATLAB、Simulink、PLC等工具進(jìn)行仿真和優(yōu)化。通過這樣的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠深入理解理論知識在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提高解決復(fù)雜問題的能力。

在綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，課程組采用智能制造大賽模式，要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式完成一個完整的過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)題目通常來源于實(shí)際工業(yè)問題，如某化工廠的反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。學(xué)生需要完成從需求分析、方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)到性能評估的全過程，并提交詳細(xì)的設(shè)計(jì)報告和演示視頻。這個環(huán)節(jié)不僅檢驗(yàn)了學(xué)生的理論知識掌握程度，還全面培養(yǎng)了他們的工程實(shí)踐能力和項(xiàng)目管理能力。

通過這些改革措施，過程控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)了從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，大大提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。許多參與過這些實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)的學(xué)生在后來的智能制造大賽比賽中都取得了優(yōu)異的成績，充分證明了這些改革措施的有效性。

3.3實(shí)踐改革成果

基于智能制造大賽的過程控制課程實(shí)踐改革取得了顯著的成果。首先，在學(xué)生學(xué)習(xí)效果方面，對比改革前后的課程考核成績和學(xué)生反饋，學(xué)生的理論知識掌握程度和實(shí)踐能力都有了明顯提升。特別是在綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生提交的報告質(zhì)量顯著提高，許多報告展現(xiàn)出了創(chuàng)新性和實(shí)用性。例如，有學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)的控制方法，取得了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的性能。

其次，在競賽成績方面，學(xué)生在智能制造大賽中表現(xiàn)突出。過去三年中，學(xué)校參賽隊(duì)伍在流程行業(yè)自動化賽項(xiàng)中獲得了3個國家級獎項(xiàng)以及10余個省級獎項(xiàng)。這些成績的取得充分證明了文章研究的教學(xué)改革方案可有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。許多獲獎學(xué)生表示，課程中的綜合性實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)為他們參加比賽打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使他們能夠更好地應(yīng)對比賽中的各種挑戰(zhàn)。

4結(jié)語

文章通過將智能制造大賽引入過程控制課程教學(xué)改革，探索了一條培養(yǎng)適應(yīng)智能制造需求的復(fù)合型人才的有效路徑。研究表明，基于智能制造大賽的理論教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，不僅更新了課程內(nèi)容，創(chuàng)新了教學(xué)方法，還顯著提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。SMPT一1000過程控制仿真系統(tǒng)的引入和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，為學(xué)生提供了接近真實(shí)的工業(yè)控制環(huán)境，有效培養(yǎng)了他們的工程實(shí)踐能力。改革后的課程教學(xué)取得了顯著成果，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和競賽成績，還增強(qiáng)了他們在就業(yè)和深造中的競爭力。

★基金項(xiàng)目：江南大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“智能制造大賽引導(dǎo)下過程控制課程與勞動教育研究實(shí)踐”（JG2023049）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“基于變分貝葉斯和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的聯(lián)合估計(jì)方法及應(yīng)用”(62103167)。

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