改革过程控制系统课程提高学生应用能力

2013-07-19李天华施国英侯加林

实验室研究与探索 2013年1期

李天华，施国英，侯加林

(山东农业大学机械与电子工程学院，山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018)

0 引言

过程控制系统的研究对象往往是具体生产流程中的锅炉、反应器、热交换器、蒸馏塔等大型设备。其实验平台通常是对工业生产流程的缩微，希望能在有限的空间中包含更多的对象以达到满足实验教学的要求，这使得实验设备本身的造价很高，限制了高校实验设备的购买量。因此，现在大部分高校在过程控制系统实验教学中都是多名学生共用一个实验台，许多学生只能观察其实验过程和结果，无法做到自己动手进行实验，改革过程控制系统实验教学刻不容缓［1］。

1 教学改革的目标

针对过程控制系统这门课程理论性和实践性都很强的特点，对教学方法做以下改进［2］:

(1)教学内容现代化。跟上时代的发展，介绍当今自动化仪表技术发展主流和该领域的新思想、新方法。将先进的检测与控制仪表内容作为教学的基本内容，使他们具有较宽广的知识面，较强的社会适应能力。

(2)教学方法科学化。彻底改变单一的知识传授型教学模式，从以课堂灌输式教学为主的模式转变到以“启发式、研讨式、交互式、实践式、自学式”等紧密结合的教学模式上来。同时在注重学生素质教育的同时，加强创新能力培养，注意学生个性发展要求，全面因材施教，使“知识、能力、素质”教育协调发展［3，12］。

(3)教学手段现代化。用先进的教学软件将抽象的课程内容变成直观具体的形式展现，学生便于学习与领会，激发学生学习的积极性和主动性［4］。

(4)教学大纲设置合理化。过去资金缺乏无实验设备只能纯理论教学，现在更改为理论学时不变(45学时)，实验学时增加为9 学时，更增加了过程控制系统课程设计，使学生真正有机会将所学知识融会贯通。

2 改革教学方法，注重能力培养

过程控制系统是专业的核心课程，内容繁杂，既有理论性较强的自动控制理论，又有实用性较强的检测技术及其仪器仪表，还涉及先进的计算机控制技术，经过几年的传统教学方法实践，发现学生在对理论知识的理解存在困难。并且本门课程安排在大四的上学期，很多同学忙于考研复习，不肯花过多的时间在晦涩难懂的课程上，故对本课程的多媒体教学课件进行重新制作，教学过程中引入许多工程性内容［5，13，15］，使内容更加生动形象便于理解，以此吸引同学们的兴趣。

2.1 动画图形更加丰富

为了加深印象，帮助学生理解抽象的理论和概念，课件制作了一些图片和动画［6］，还添加了一些现场视频。这样一方面便于教师讲述，另一方面可帮助学生直观理解。例如，我们在讲解过程控制系统设计及应用实例时，以油库装卸系统为例，将油库装卸的现场用动画直观的演示出来［7，11］，生动而形象地表达了工业生产过程。如图1 所示。

图1 动画组态油库装卸系统现场

2.2 仿真软件发挥作用

本课程的特点是运用控制理论对常见的过程控制系统加以论证，进行必要的定量或定性分析。为了让学生更容易理解所学习的内容，我们在课堂上用数学模型代替实际的控制系统，以Matlab 软件为工具，对控制系统进行实验和研究［8-9］。

例如，已知一个单位负反馈系统为:

试绘制该系统当k 分别为1.4，2.25，3.5 时的单位阶跃给定响应曲线。

Matlab 程序代码如下:

执行程序后，得到如图2 所示标注有其对应参数的3 条单位阶跃响应曲线。由曲线可以看出，当k =1.4 时，阶跃响应衰减振荡，系统稳定;当k =2.25 时，响应等幅振荡，系统临界稳定;当k=3.5 时，响应振荡发散，系统不稳定。

图2 单位负反馈系统的三条阶跃响应曲线

3 改革实验教学体系，提高学生应用能力

我们学校的过程控制实验室有6 套天煌教仪制造的THKGK-1 型过程控制实验装置，能够开设本课程的全部实验。我们对实验内容进行了优化整合，采用验证性实验和综合性设计性实验相结合的实验方法，把一些前沿的自动技术转化为学生的实验内容。并采取改革实验项目和开放实验教学两种方法对实验环节进行了改革，取得了一定的效果。

3.1 改革实验项目

将实验项目分为验证性实验和设计性实验。验证性实验帮助学生掌握基本的理论知识，训练基本的实践能力。设计性实验重在培养学生自主性和创造性。

3.1.1 演示及验证性实验项目

验证性实验项目，使学生能够对整个过程控制仪器装置有一定了解，掌握基本的过程控制理论。我们用3 学时做单容水箱特性的测试和锅炉内胆特性测试两个验证性实验，以学习测定被控对象特性的方法。

3.1.2 设计性实验项目

由于实际的实验装置台数相对较少，并且价格昂贵，为了能减少对设备的损坏，同时也为了让所有的学生都能对课堂学习的知识有更深的认识，所以先让学生利用Matlab 进行仿真实验，确定自己设置的参数可行后再到实验台上进行正式实验。由于实验学时的限制，设计性实验做3 个，每个实验占2 学时。

(1)单回路控制系统实验。①双容水箱液位定值控制系统，②锅炉内胆动态水温定值控制系统，③电动阀支路流量的定值控制系统;

(2)串级控制系统的实验。①下水箱液位与电动调节阀支路流量的串级控制系统，②盘管出水口水温与锅炉内胆水温的串级控制系统;

(3)比值控制系统实验。①单闭环流量比值控制系统，②双闭环流量比值控制系统;

(4)前馈-反馈控制系统实验。①锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统，②下水箱液位的前馈-反馈控制系统。

这些实验内容由简单到复杂，由特殊到一般，每个知识点下面都包含2 ～3 个实验，学生从中选择3 个实验在课内来做。通过做设计性实验，学生加深了对单个控制方案的理解，并为如何实现一个复杂控制系统的设计提供了方法。

3.2 开放实验教学

我们对必修的过程控制系统课程设计给出一些题目［10，14］，比如液位控制系统综合设计、锅炉汽包温度控制系统设计、过热蒸汽温度控制系统设计、跳汰机自动控制系统设计等。学生从中选择一个题目，也可自己找合适的题目完成，此设计课程占1 学分。这些题目都是学生利用课余时间自己确定设计方案，先通过软件仿真确定可行后，再进行系统测试，最终还要写出设计报告。整个环节都是以学生为中心，教师只是起到辅助作用，让学生在实验中对过程控制系统的设计有一个完整、系统的掌握。

3.3 改革实验教学的考核形式

改革后的考核形式更注重实验教学的整个过程，成绩由三环节组成:预习抽查、现场操作、实验报告。重在操作过程，结合书面考察，全面评定总成绩;平时成绩考评贯穿于全学期的各个实验之中，贯穿于每一个实验的各个教学环节之中。具体成绩分布如表1 所示。

表1 各实验环节所占实验课总成绩比例%

4 “过程控制系统”教学改革效果

通过“过程控制系统”的课堂教学改革，使学生很好地理解和掌握各部分的知识，对和课程相关的一些基础理论也有了全新的认识，培养了学生的工程概念和能力。通过实验环节的改革，学生能够将所学知识应用到工程实践中，提高了动手能力，锻炼了分析问题和解决问题的能力。通过本课程的教学改革，学生对控制系统的有关概念和环节有了更好的理解，掌握了基本的设计流程，在一定程度上可以帮助他们更好地完成有关工程设计工作。

［1］张运波.过程控制工程课程教学体系优化的研究与实践［J］. 长春工程学院学报，2009，10(4):92-94.

［2］黄艳岩，徐红伟，金英连.过程控制实验课程教学改革实践［J］.高校实验室工作研究，2009(9):9-10.

［3］陈湘萍.过程控制工程实验教学改革的探索与实践［J］. 中国现代教育装备，2010(7):85-86.

［4］刘录，孟波.过程装备与控制工程专业实践教学改革的探索［J］.化工高等教育，2009(4):53-54，76.

［5］曹莹，李英道.过程控制实验教学系统［J］.安徽电子信息职业技术学院学报，2007，33(6):111-112.

［6］单玉霞，徐兆军.基于Flash 的《过程装备控制技术及应用》教学课件开发［J］.化工高等教育，2009(5):88-90，99.

［7］侯思颖.组态软件仿真在过程控制教学中的应用［J］. 高等教育研究，2010(6):82-83.

［8］降爱琴，郝秀芳. MATLAB 在“过程控制系统”教学中的应用［J］.电气电子教学学报，2009(9):63-65.

［9］付立华. Matlab 在过程控制课程教学中的应用［J］.河南工程学院学报(自然科学版)，2010(3):73-76.

［10］姜国平. 过程装备与控制工程专业毕业实习教学模式的探讨［J］.化学工程与装备，2009(12):177-178.

［11］严军.组态软件及过程控制系统在实验教学中的应用［J］. 实验室科学，2010，13(2):14-15.

［12］黄学章.自动检测和过程控制课程教学改革与实践［J］. 湖南医科大学学报，2010，12(1):117-118.