过程控制系统实验创新模式探讨

刘文定 张俊梅 陈锋军

北京林业大学工学院 北京 100083

过程控制系统是自动化专业的一门重要专业课程，涉及控制系统模型建立、系统控制方案确定、控制策略研究、控制器参数调整、系统元器件和执行装置结构选择、单回路控制系统、串级控制系统、复杂控制系统等内容，并且课程内容和实际系统联系非常密切，如何在有限的理论教学时间内，利用有限的实验条件完成必要的理论和实践教学，同时满足卓越工程师知识、能力、素质协调发展的培养，达到深化和拓宽学生知识体系，挖掘学生的创新潜力，激发学生创新实践热情是课题重点研究内容。

1 强化知识结构，构筑基于问题的探究式理论教学

卓越工程师的培养遵循知识掌握、能力培养、素质提高协调发展的原则。高等人才能力和素质的培养离不开知识的传授，而知识传授中课堂理论教学是必不可少的，随着新技术的不断出现导致专业课学时难以满足理论教学，如何在较短时间内设计适当的知识载体来进行知识传授以达到能力培养和素质提高的目的，为此提出了基于问题的探究式理论教学。过程控制系统的检测变送和执行器知识点(涉及传感器、电动调节器、机械调节阀等)，以往限于课时所限课堂上教师仅仅简单说明，学生也只有轮廓概念，对知识的理解和掌握非常不利，就业后无法解决实际问题。本着知识的掌握在于实际应用的原则，课堂上我们针对需要掌握的知识点设置一个循序渐进的问题：锅炉水位控制系统(系统技术指标要求动态指标、静态指标、安全性等)。为了达到要求从控制角度提出构成最基本的控制系统类型，大部分学生提出采用检测水位高度和设定值比较的闭环控制系统，抽象绘出系统框图，引导学生完成任务系统必不可少的一个装置是什么？装置特性和工作原理如何？基于问题教师恰当地引出新知识点—调节阀，调节阀的类型、特点、使用场合等—电动调节阀、气动调节阀、液动调节阀，直观通过实际模型和实际应用例子使问题的解答构成一个探究式的知识体系，通过理论教学对学生思维的启发使学生的能力和素质在知识体系的传授中逐渐培养出来。带着实际问题的探究式课堂教学强化知识的应用价值，使每个知识模块构成一个实际的训练系统，从问题提出到问题解答再上升到理论，使学生从行业工程师的角度理解基本知识和基本理论，从实际应用中掌握基本技能和研究方法，从卓越工程师高度培养学生适合学科特点的思维方法和思维能力。

2 创新实践环境，构筑理论知识应用于实际的实验教学

加强实践教学是培养学生动手能力和创新精神的一项重要工作。过程控制系统涉及石油、化工、电力等多种行业，为此，2012年以校精品课程过程控制系统建设为契机，从培养高素质、工程实践能力强的卓越人才出发探讨专业课程的实践教学模式。力求创新实践教学环境，提高实践教学效率，激发学生的创新精神，同时将本课程与信号与系统、自动控制理论、控制系统仿真、计算机控制系统等课程有机结合，探寻专业课程体系新模式，构建创新型实践课程体系，建立理论与实践相结合的实践环境。

2.1 甄选实验内容，衔接多方位知识点

实验是学生检验知识和应用知识的主要途径。以往过程控制系统实验中，教师指定实验内容，给出实验要求和实验过程，学生盲目地按实验步骤来做。由于实验条件受限(目前仅有5套高级过程控制实验装置)，导致大部分学生只是看别人做，抄抄数据，照猫画虎撰写实验报告，对应用理论知识解决实际问题多样性意义不大，特别是自主学习兴趣和创新实践能力无法激发。为此，我们从多方位知识点的连贯和衔接出发选择合适的实验内容。

单回路控制系统是过程控制系统中应用最多的一类，特别是锅炉控制系统，它是石油、化工、发电厂等工业过程中必不可少的动力设备，该控制系统涉及电路、控制理论、传感器、计算机控制等多方面知识。课堂上引导学生从周边锅炉(供热锅炉、水房锅炉)需要控制的量(液位、温度、燃烧等)考虑，指出锅炉控制系统包括锅炉本体水位控制、燃烧系统、给水系统等，而要完成控制任务，需要构成被控变量的单回路控制系统，控制器参数的确定又依赖被控对象的数学模型，控制理论所讲的解析法建模需要明确各个环节机理，这在实际系统中比较困难，如何采用实验方法建立系统数学模型，安排锅炉对象的实验建模内容？在实验中学生带着问题(正向飞升响应曲线和反向飞升响应曲线)设计实验方案，并从理论上回答为什么需在系统平稳后突加输入信号，正向和反向信号对模型建立是否有影响等一系列问题。实验完成后实验报告的撰写要针对问题从理论上加以解释。这样实验又反过来促进了理论知识的掌握，理论知识点和实践内容的有机结合，提升了学生的学习热情，激发了学生的创新能力。

2.2 仿真实验和实物实验有机结合，培养学生多方案解决问题的能力

目前我校过程控制系统实验装置无法做到一人一台，且实验的动态过程时间比较长，锅炉温度下降10 ℃需要十多分钟。锅炉单回路系统控制器PID参数整定过程，特别是研究参数变化(PID3个参数有无穷多组合)对系统动静态特性影响，即使仅研究三四种参数变化，在实验台上大约需要1.5小时，学生只能等待，影响实验进程。为此，我们大胆尝试新的实验模式，将控制系统仿真软件引入过程控制系统，虚拟模型构建实物装置实验，以实测实验对象模型建立仿真原型，按照过程控制系统的实际情况构建Simulink仿真模型，计算机上重点研究各个参数变化对系统动静态特性的影响，同时引导学生将仿真结果和理论知识点有机结合，以实验提升课堂知识的掌握。如控制器类型的不同仿真解决方案，要掌握控制系统无精差必须采用积分控制，而纯积分控制又易导致系统结构不稳定，积分时间常数对系统动态特性的影响等，快速、多种、图形化仿真实验为优选确定本次实验的最佳控制策略和控制器参数提供了直观、可靠的支持。仿真实验又回到实际系统，将仿真实验得到的最佳控制参数作为现场实验参数的初值，观测实验中所得响应曲线，并将仿真实验结果和理论知识结合针对实际情况向正确方向微调控制器参数，快速的仿真实验过程和高效的实际实验可使每个学生有机会自己动手完成整个实验，既可以解决实验设备不足的问题，又可利用软件提高实验效率与教学效果，大大拓展了学生对实际问题的抽象理论分析、研究、参数确定、优化控制策略确定的能力。仿真实验和实物实验有机结合，扩大学生自主获取知识和技能的能力，加深学生对课堂内容的理解和掌握，激发学生的学习兴趣和主观能动性，提升学生多种方案解决问题的能力和创新意识。

2.3 针对过程控制系统特点，安排系列实验提升学生创新能力

过程控制系统是专业性很强的课程，涉及实际化工、电力等系统，如何通过课程的理论学习和实验环节培养学生创新能力和就业以后应对不同的过程控制系统是本次教改的重要内容之一。电厂和民用锅炉水位控制、化工原料液位高度控制等均涉及液位控制，液位控制系统是过程控制的典型控制系统。在理论教学上我们把实际系统加以抽象建立描述系统的数学模型，根据系统性能指标要求的不同和系统存在的干扰情况有针对性地提出单回路控制方案和串级控制方案，并且对这两种方案的优劣及适应场合进行理论分析，同时为提升学生解决实际问题的能力和以实验加深理论知识的掌握，围绕液位控制开设了系列实验，具体做法如下：

(1)使用实验装置现场教学使学生充分了解实验装置中传感器的类型和校验的必要性、系统的平衡状态、实际环境中的干扰信号、电动调节阀等。

(2)实验过程中带着问题(系统数学模型测试为什么要等系统平衡后突加阶跃信号？为什么要用正向和反向信号作用进行参数测试？)完成实验，被控对象建模理论知识确定实验方案和实验步骤，和实验教师讨论后自己动手搭接实验系统。

(3)根据多组测试实验数据结合多学科理论知识建立系统数学模型(包括模型的类型和参数)，实验过程中教师抽查上述问题的解答。

(4)为完成系统的基本要求，构成单回路控制方案，在线整定控制器参数，分析系统的动、静态特性和干扰作用下系统的抗干扰能力，为激发学生的学习兴趣和主观能动性，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，在实验过程中我们有目的地设置一些问题(如何降低干扰对系统的影响，如何提升控制系统的精度等)引导学生提出新的合理控制方案。

(5)串级控制系统设计，包括主控制器、副控制器类型和参数整定，系统在一次、二次干扰作用下系统的相应和动静态指标研究，实验过程中出现的各种问题(如串级控制系统为什么对主扰动具有很强的抗扰能力？为保证系统静态无误差主控制器为什么必须采用PI或PID？)，教师不急于简单解答，而是激发学生从理论上分析得到结论，这种理论循序渐进到实践再升华回到理论的模式，改变了学生为实验而做实验的机械动作，从实验来加深理论知识，又应用理论知识解决实际问题，系列实验大大提升了学生创新能力。

3 实验教学拓展大学生创新研究，提高学生的科研能力

大学生创新项目是在导师指导下，学生自主选题、独立完成课题、撰写课题结题报告等工作，创新项目意在调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识。可以有效地训练学生在未知领域的探索精神、独立思考、独立创造性地分析和解决问题的能力。而过程控制系统课程安排在第七学期，学生的基本知识、基本技能、创新意识等逐步形成，为了使有潜力的学生尽早接受系统的科研能力的培养和训练，摄取学科前沿知识，在常规实验的基础上，对有坚实理论知识和深厚知识底蕴的学生指导申报国家、校级大学生创新项目，2009年确立国家级“仿生机器鱼”和2012年校级“智能机器鱼氯气监控系统”项目。项目的前期研究涉及过程控制系统控制策略和控制器参数确定实验，在实验中引导有能力的学生多方面考虑问题、多方面解决问题，实验的创新能力不知不觉就应用到科研活动，科研活动中遇到的各种问题又不断培养学生的创新思维，使学生利用扎实的基础及时摄取新知识，实验技能又推动获取知识和应用知识的创新能力。进一步发展了学生学科知识的横向关联，使学生将所学的理论知识与实际相结合，使学生的创新意识和创新能力得到有效培养。

4 多学科知识融合实验过程，培养创造性人才

过程控制系统的知识点和其他课程呈现立体交叉，多学科知识又融合于实验过程，为此，课题组在自动化系列课程实验过程中采用逐步递进的原则安排一些基础实验，为后续课程做必要的铺垫。例如，基本的开环控制和闭环控制的稳定性和动态特性研究在控制理论课程中已做了多方位研究，过程控制系统前馈控制为什么可以有效地消除干扰影响，前馈加反馈的复合控制为什么既可保证系统的稳定性又可提高系统的抗干扰能力，它是如何解决稳定性和稳态精度之间的矛盾等问题。要求学生先思考，教师辅助给出提示，从自动控制系统传递函数概念、稳定性分析和稳态误差与系统结构参数的关系，融合多学科知识引导学生通过实验分析所得结果，最后合理正确地给出答案，使学生对实验研究得到全面和立体的概念，使实验升华到科学研究的探索实验，学生自身的知识无形中得到增加，巩固了以前其他课程中学习的知识，加强了多学科之间的融合，进而拓展了学生的创新思维能力。

5 结束语

专业课实验教学在高等学校工科教学中占有重要的地位，探讨过程控制系统实践教学新模式具有重要意义，通过连续5年的实践，在注重学生理论知识的夯实的基础上，把课程实验有机、科学地贯穿于整个教学活动，多方位设计实验内容、多学科融合实验过程和带着问题做实验等均以学生为主导，充分考虑学生的知识结构和学习规律。使学生个人的潜在能力得到充分发挥，学习的主动性和创造性得到有效发展。理论教学链和实践教学链有机结合的教学模式，充分调动了学生的积极性，在实践教学中注意激发学生的主动性，注重教与学的互动，注重培养学生的动手操作能力、解决问题能力和综合创新能力，提高了专业课程教学效果和质量，对高素质人才培养和创新科研能力提升奠定了扎实的基础。

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