过程控制及仪表课程教学方式改革研究

杨海勇

摘 要：过程控制及仪表是自动化专业的一门重要的专业课，是一门控制理论和工程实践相结合的课程。为了进一步提高课程的教学效果，提升学生的应用能力，该文对课程的教学方式和实践教学方案进行一些改革探讨。主要采用项目导向法，引导学生明确学习目标，围绕一个具体的项目进行探究式的学习；将MATLAB仿真全面引入理论教学和实验教学中，提高了教学质量。经过两年的教学改革实践检验，学生的学习热情明显提高，操作能力加强，取得了较好的改革效果。

关键词：过程控制 教学方式 项目导向法 MATLAB仿真

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0158-01

过程控制是自动化专业的一个重要方向，其应用面向化工、建材、钢铁、火力发电、制药等许多现代化工业部门[1]。通过生产过程的自动化控制，使工业生产符合工艺流程，将一些关键参数如温度、流量、压力、液位等稳定在工艺要求的给定值附近，从而保证产品的质量和产量，使工业生产安全稳定地运行在最佳工况下。

过程控制及仪表课程是自动化专业的重要专业课，课程内容较多，既要学习各种类型的过程控制系统，又要学习检测仪表、控制仪表，还要熟悉必要的生产工艺和对象的动态特性。这些控制理论和技术让学生感觉抽象，不容易深入理解。

为了使课程的理论教学变抽象为具体，使教学内容形象生动，使教学目标清晰明确，需要我们在教学方式方面进行必要的改革。经过近两年的探索和实践，特别是将MATLAB仿真全面引入课堂演示和实验教学中，取得了明显的效果，下面对具体的方法做些介绍。

1 教学方式的改革

1.1 项目导向法提高教学效果

以前理论课的教学基本是按教材目录顺序，分章节对各个知识点分别讲授，大部分内容学完后，才会出现具体的工业应用的例子。这种按部就班的讲授常常给学生带来一些疑惑，学生们在前期大部分学习时间里，都不能清醒认识所学的理论知识能在哪里具体应用，由于学习目标不明确，学习动力也不足，反而认为理论抽象，不好理解。

采用项目导向法可以较好的解决上述学习目标不明确的问题。

项目导向法主要围绕一个具体的项目进行教学，使学生带着实际的任务进行探究式的学习，所学习的知识点组合应用起来，可以完成这个项目。因为学习目标明确，能极大的调动学生的学习积极性，自然就能提高学习效果。当然，具体的项目要选好，实现项目的相关知识点和主体教学内容大体符合。

经过对教学内容的权衡考查，决定选用锅炉汽包水位的前馈—串级控制系统作为一个典型的工业项目，引导学生进行研究学习。因为这个项目需要用到的知识点正是教材中大部分章节的内容。要克服汽包水位动态特性中“虚假水位”的影响，实现水位的精准控制，需要比较多种常规控制方案的优劣，要分别学习单回路控制系统、串级控制系统、前馈—反馈复合控制系统，然后选定前馈—串级控制方案。后续工程应用技术还包括调节阀的选取，调节器的正、反作用的设定，调节器参数整定等重要知识点。这样，通过一个具体项目就能将很多教学内容组织起来进行教学。

这就是项目导向法，先有项目应用，有任务，目标明确了再学习具体的知识点，经过比较研究，寻找解决项目问题的方案或方法。

在实施项目导向法的教学过程中，可以明显感到学生们对实际工业项目是很感兴趣的，也乐于探求控制技术和控制方案，因此在学习具体知识点时积极主动，效率很高。

1.2 将MATLAB仿真演示引入理论教学

本课程的教学内容中包括较多的理论和公式推导，按常规教学方法讲解分析，花费时间较多，影响课堂效率。我们使用MATLAB软件里的Simulink仿真工具，构造仿真模型，针对目标知识点进行仿真演示，形象直观的仿真结果有助于学生的理解记忆。

例如讲解PID控制规律时，仅仅讲述公式和特点，学生并不容易真正理解，也就不能灵活运用。对于这种重要知识点，再增加一些仿真演示就能帮助学生加深理解。可以构造一个单回路控制系统的Simulink仿真模型，选用仿真软件集成的标准PID控制模块，适当修改PID参数，运行仿真来演示纯比例控制作用时，会有余差存在；再加入适当的积分作用，可以消除余差。当然，还可以改变积分系数，让学生注意观察响应曲线振荡幅度的大小，从而总结出积分作用的强弱对系统稳定性的影响。

这些仿真演示不仅提高了学生的学习兴趣，加深了对知识点的理解记忆，更提供了一种仿真研究方法，有利于后续PID调节器参数整定方法的教学。

2 开发仿真实验软件，进行实验教学的改革

过程控制及仪表是一门综合性应用型的课程，对相应的实践教学要给予充分的重视。

我校过程控制实验室先后引进了4套THKGK-1过程控制实验装置，不仅能实现常规PID控制，还能实现单片机控制、计算机控制等多种控制方式。但这些实验装置价格昂贵，继续大批量的购买并不现实，而参与实验的学生人数众多，为了增加学生实验操作机会，考虑用MATLAB/Simulink开发过程控制实验仿真软件，这样不增加实验投入，使用已有机房就能开展实验。由于计算机仿真技术能方便修改参数，并快速实现仿真，还能获得比常规实验装置更好的实验效果。

所开发的过程控制实验仿真软件包含6个子系统，每个子系统对应一个实验项目，分别是单回路控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、前馈—反馈复合控制系统、比值控制系统、大滞后系统。子系统内是控制系统对应的Simulink仿真模型，其中控制器的PID参数可以按需要修改，即主要训练PID参数整定的方法，使学生掌握参数整定的步骤和方法，增加操作经验。

将上述实验仿真软件投入教学运行后，每个学生都能参与实验训练，通过修改PID参数观察相应的响应曲线，逐步提升控制质量。这些仿真训练能积累丰富的经验，再到实验装置平台训练时就感觉得心应手，整体实验教学效果有了显著的提高。

3 结语

以上是笔者在过程控制及仪表课程教学改革工作中的一些思考和探索。通过教学方式改革，让学生明确学习目标，提高学习兴趣，将MATLAB仿真全面融合于教学中，能起到事半功倍的效果。

参考文献

[1] 邵裕森，戴先中.过程控制工程[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 李国勇，程永强.计算机仿真技术与CAD[M].北京：电子工业出版，2012.endprint