控制过程课程实践教学新模式

刘文定 燕 飞 陈锋军 王东林

北京林业大学 北京 100083

控制过程课程实践教学新模式

刘文定 燕 飞 陈锋军 王东林

北京林业大学 北京 100083

针对过程控制系统课程的特点，探讨该课程的新教学模式，理论教学和实践教学结构科学合理搭建，优化教学内容，把学生创新精神与实践能力培养作为主线贯穿于整个教学过程，充分挖掘学生的智力和潜能，培养学生获取知识能力的同时培养学生的创新能力，使学生学有所得，把专业知识化为实实在在的专业技能，为其日后就业打下坚实的基础。

过程控制；创新能力；实践教学

在科学技术迅速发展的今天，创新能力的培养是大学教育的核心任务，创新能力的培养主要是通过课程结构的科学合理搭建来实现的。在自动化专业课程的设置中,把学生创新精神与实践能力培养作为主线贯穿于专业课程教学模式、教学方式、实践教学内容等,可激发学生的求知欲，充分挖掘学生的潜力，培养学生的创造思维能力。特别是将理论教学与实践教学活动科学、有效地结合为创新型人才培养模式并有所突破，对探究学科领域更深层次的发展有所创新。

过程控制系统是我校自动化专业的一门重要的专业课，开设在大四第1学期，过程控制课程综合应用所学知识（模拟电子、数字电子、自动控制理论、计算机控制、控制系统仿真等）针对实际对象的多样性、对象特性的难辨性、普遍存在滞后和耦合、特性往往具有非线性等诸多特点，提出多种有效合理的控制方案（单回路控制、串级控制、选择性控制、比值控制、分程控制、计算机控制等）。探讨该课程的新教学模式可加深理论知识解决实际问题的能力，提升学生的就业竞争力。

1 创新能力培养的教学模式

我校过程控制系统课程40学时（理论讲授28学时、实验10学时、讨论2学时），如何在有限的教学时间内将控制系统、不同控制方案、控制系统参数整定等内容让学生很好掌握并应用到实践系统是我们这几年一直在考虑和实践的。为此，我们组织教研组相关教师从相关课程知识点的衔接入手，精选授课内容、突出控制系统设计的一般原理和基本方法，并辅助实践内容支撑相关理论知识、同时拓展学生创新能力的培养。例如，过程控制系统数学模型的确定可以采用机理分析法和实验法，机理分析法对于一些系统工作原理清楚、容易用对应的数学表达式描述的系统可以方便得到，但是在建立数学模型的时候通常要忽略掉一些次要因素、将系统的参数看成是定常的、集中参数的等，导致所建立的数学模型仅仅是实际系统的粗模型，有时可能无法真实描述实际系统的特性。特别是对一些过程控制系统的工作原理不是很清楚、有的无法用定理或定律来描述，提出问题让学生首先自己考虑如何解决？如何对一个黑箱系统（完全不清楚系统内部结构）或灰箱系统（对系统结构部分了解）应用控制理论所学知识，典型输入信号作用下系统的动态响应的关系作启发引导鼓励学生大胆提出各种各样的方案，同时将过程控制系统课堂所讲内容，被控对象特性的自平衡特性和无自平衡特性相结合引导学生首先分析系统的特性，给系统施加特定的输入信号，采集输出信号来获得系统的动态特性。课堂教学中实时引出被控系统动态特性测试实验，根据学生基础和实验能力的不同我们分成几类，对已经熟练掌握教学内容且乐于创新、动手能力强的同学要求针对实验室现有的三容水箱实验装置，构造被控对象的动态特性测试实验内容。包括如何选取实验设备、实验原理、实验内容、实验步骤、实验结果及分析等。通过实验可以使这部分学生熟练掌握课堂所学被控系统动态特性测试原理，同时培养了学生独立设计实验、采用不同控制方案分析系统特性的能力，有同学提出水箱液位平衡后，突增干扰信号作用点位置、干扰信号大小等对系统动态特性测试是否有影响等问题。我们不急于回答，而是让学生通过实验给出结果，同时鼓励将实验结果和理论分析相结合，加深理论知识掌握，对学生毕业以后到实际工作中开展科学研究奠定了一定的基础。对部分学习能力较弱的同学我们采用个别辅导同时加部分给出实验内容，对一些关键的原理（如控制系统的动态特性是和系统的结构参数有关、不同输入信号作用下的输出响应可以建立系统的数学模型等）和实验步骤（测量传感器如何接、响应曲线的含义等），这部分学生在完成实验以后，回过头再复习课堂所学过的知识可以弥补以前知识的缺失，同时增加了信心，为下一次实验打下基础。被控对象动态特性测试的内容在课程期末考试中85%的同学拿了满分。另外，部分同学在毕业设计中涉及不同类型系统的数学模型建立也采用过程控制课程中方法，做到学有所用。个性化自主研学，使学生对所学知识融会贯通，辅助实践利于培养学生的学习兴趣，不同层次的学生采用不同的方法，自己动手探究实际系统的原因和规律，可以巩固所学知识，同时引发学生浓厚的认知兴趣和强烈的求知欲望，锻炼学生从实际工程中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

2 创新能力培养的计算机辅助设计

过程控制系统涉及知识面广、领域多，采用一般的理论教学方法很难达到良好的教学效果和知识传授。随着科学技术的发展，迫切需要在教学过程中创新引入新的教学方法，有效增强学生的创新能力和自主学习能力。Matlab仿真软件中的Simulink工具箱，以解决非线性、时变系统、连续系统、离散系统、连续离散混合系统的模拟仿真，系统搭建方便、程序易编程、易拓展，为此，我们将Matlab仿真软件与过程控制系统教学理论有机地结合，探讨教学创新与实践教学的新模式，实现教学手段和方法的创新实践，有效地解决课程的知识难点，提高了学生的学习热情，培养了学生的创新精神和工程实践能力。

例如，单回路控制系统如图1所示，它由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量能迅速克服干扰的影响到达稳定值。由于系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。

图1 单回路控制系统方框图

但是，单回路控制系统被控变量的选取、操作变量的选取对控制系统的控制品质关系重大，课堂上重点从控制通道和干扰构成的不同通道对系统的影响加以分析，得出选择能直接反映过程产品又易于测量的参数作为被控变量（直接参数法）或选择那些间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系，易于测量的参数作为被控变量（间接参数法）。从诸多影响被控变量的输入参数中，选择一个对被控变量影响显著而且可控性能良好的输入参数作为操纵变量，而其他未被选中的所有输入量看作系统的干扰，通过改变操纵变量去克服干扰的影响。理论讲授学生感觉比较空洞难以理解，为此，我们开设单回路控制系统实验，研究干扰对系统性能的影响，包括干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。由于实验条件限制，直接在实际系统进行上述研究比较困难，为此，我们提出采用计算机辅助设计的方法让学生先进行分析，研究复杂的生产过程中多个干扰量，不同形式、不同大小的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差的问题，如图2所示。

仿真结果如图3所示。根据干扰作用点对调节质量影响的分析，主要干扰施加点越靠近调节阀，控制质量相对较高的原则，方案Ⅰ的干扰作用点与对象的输入重合，调节作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案Ⅱ次之，方案Ⅲ最差。从控制的品质这方面考虑，应该选择方案Ⅰ，即选择乳液流量作为操作变量。但是，在选择调节方案时，还得从工艺角度来考虑，方案Ⅰ并不是最有利的。但是物料流量是负荷。另外在乳液管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降低产量和质量。因此，综合以上分析比较，选择方案Ⅱ是比较好的，即采用旁路空气作为操作变量。通过仿真实验对课堂上所讲的干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统,则干扰通道的放大系数愈大,系统的静差也就愈大；如果干扰通道是一惯性环节,时间常数为Tf,则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小；干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。这大大加深了学生对所学知识的理解，对培养学生的探索精神和创新能力有很大的帮助，同时，为今后实际系统的仿真分析设计打下了坚实的基础。

图3 不同控制方案及扰动作用控制效果

3 发挥学生主体作用，培养学生创新能力

创新型人才必须具有创新型思维,而工科学生的创新能力依赖于实践的锻炼、实践能力的培养。如何充分发挥学生的主体作用,探究实践创新模式与传统实验模式是工科院校培养创新型人才的重要途径。

单回路控制系统结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产、高精度、高效益的要求。为此，我们从隔焰式隧道窑温度控制系统的单回路控制系统入手提出串级控制系统，图4是串级控制系统的结构图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主回路构成定值控制，副回路构成随动控制系统。

课堂教学中我们讲到串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个副控制回路，但对系统的影响特别大。副回路的引入减小了对象的时间常数，改善了过程的动态特性；提高了系统工作频率，能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动控制系统，其设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强，系统具有一定的自适应能力。这大大激发了学生浓厚的认知兴趣和强烈的求知欲望，想通过亲自动手探究实验现象和实验结果，我们安排了4小时的实验，自己从实际系统提出存在问题并通过实验加以辅证、再从理论知识构造新的控制方案、制定实验方案，教师在过程中不强求实验结果而重点鼓励学生创新、提出一些思考问题如：串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？等问题引发学生强烈的求知欲望，学生充分理解和掌握理论知识，综合应用所学的专业基础知识，掌握串级控制系统设计的特点、方法和步骤，培养解决和处理工程实际问题的能力。

4 结束语

理论教学和实践教学结构科学合理搭建，优化教学内容，把学生创新精神与实践能力培养作为主线贯穿于整个教学过程，充分挖掘学生的智力和潜能，培养学生获取知识的能力的同时培养学生的创新能力，使学生学有所得，把专业知识化为实实在在的专业技能，为其日后就业打下坚实的基础。

[1]王国强.示范中心管理模式的探索与实践[J].高等理科教育,2005，5:108～111

[2]吴才章.对自动化专业实践教学体系的研究与实践[J].河南工业大学学报(社会科学版),2010,6(1)：116～119

[3]刘文定，王东林.过程控制系统的Matlab仿真[M].北京:机械工业出版社,2009

Abstract:Aiming at the characteristics of process control system course,discusses this course of new teaching mode，Theory teaching and practice teaching scientific structure reasonable constructing, to optimize the teaching content, The students' innovative spirit and practice ability as mainline throughout the teaching process, fully excavate students' intelligence and potential, cultivating students' ability to gain knowledge and cultivate students' innovative abilities, make students learn, the professional knowledge into truly, truly professional skills, for their future employment and lay a solid foundation.

Key words: process control；innovation ability；practice teaching

Discusses the new practice teaching mode in the control process course

Liu wending, Yan Fei, Chen fengjun, Wang Donglin
Beijing forestry university, Beijing, 100083, China

2010-11-01

刘文定，硕士，教授。

北京林业大学教改课题资助项目。