《过程控制及应用》课程的教学研究与探讨*

刘鸿雁

(河北工业大学化工学院，天津　300130)



《过程控制及应用》课程的教学研究与探讨*

刘鸿雁

(河北工业大学化工学院，天津300130)

《过程控制及应用》为过程装备与控制工程专业本科生的必修专业主干课，以培养具有创新精神和实践能力的高素质专门人才为总目标，旨在培养学生分析和解决自动控制系统问题的基本能力。在课程的教学过程中，对于精度等级、数字仪表分辨率、热电偶冷端温度补偿、比例度、控制规律等几个教学难点进行研究，通过改变思考角度和做图举例的方法，变难为易，教学效果得到明显提高。

过程控制及应用；教学研究；教学改革

进入21世纪，为培养高素质全面的人才，高等教育模式正在由精英教育逐渐转为大众教育[1]。随着自动化技术的快速发展以及市场对产品质量的要求越来越高，化工设备与机械行业对人才的需求不再满足于只单纯进行设备与机械设计，要求高校能够培养出兼具设备设计和自动控制系统设计能力的复合性人才[2-3]。1998年，教育部对普通高等学校本科专业进行调整，“化工设备与机械专业”更名为“过程装备与控制工程专业”，确立了“以过程装备为主体，过程和控制为两翼”的专业建设方针，重组了相应的课程体系[4-6]。河北工业大学“化工设备与机械专业”更名后，在原有专业的基础上，开设了《过程控制及应用》课程，经过几年的实践证明，取得了一定经验和成效。但在教学过程中，存在着很多问题。如过程装备与控制工程专业的学生电学知识基础薄弱，又没有化工仪表的基础知识铺垫，在讲解《过程控制及应用》的课程中，部分内容难度较大，掌握困难，为提高学生的学习兴趣和理解能力，通过改变讲授方法及角度，采用作图法变难为易，教学效果明显提高。以下为作者对教学难点的总结。

1　精度等级的确定

仪表的精度等级是评定仪表性能的重要指标，去掉仪表最大相对百分误差δmax中的“±”和“%”号，便可确定。但是，目前,国产仪表常用的精度等级有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0，对于处于两个等级中间的情况，增大还是减少精度等级数字，同学们理解起来有点难度。采用图1的台阶形式，就把问题简单化了。

图1　精度等级台阶

以δmax=+1.2%为例，去掉“±”和“%”后，1.2介于精度等级1.0和1.5之间，到底1.2调高上到1.0级的台阶上，还是降到1.5级的台阶上呢？这要取决于确定仪表精度等级的背景。如果正在校验一台仪表，则该仪表的精度等级应该降到1.5级；而如果根据工艺要求选购仪表，则要选择1.0级的仪表。通过采用这种方法讲解比较，同学理解容易，这一部分内容不再是教学难点了。

2　数字仪表的分辨力

分辨力是数字仪表的重要性能指标，即显示器最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。例如某表的最低量程为0～1.0000 V，五位数字显示，则分辨力的确定可按图2方法。

图2　数字仪表显示的最大值与最小值

先把五位数字液晶显示的最大电压表示出来，见图2上面的图，为0.99999 V，然后把最后一位改为最末位数字表示的最小间隔1，则可判断出该仪表的分辨力为0.00001 V。

3　热电偶的冷端温度补偿电桥法

图3　热电偶补偿电桥法电路图

热电偶的冷端温度补偿方法较多，有冰点法、冷端修正法、机械调零法等，其中补偿电桥法是热电偶测温仪表中最常用的方法，电路如图3所示，加了补偿电桥后，总电路输出端ef的电压值为：

Uef=U热电偶+U

(1)

由上式可知，如果Uef等于热电偶的热电势E(t,0)，就说明电桥起到补偿作用了。而E(t,0)的计算见如下公式[7]：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)

(2)

式中：E(t,0)——热电偶热端温度为t，冷端温度为0℃ 时的热电势

E(t,t0)——热电偶热端温度为t，冷端温度为t0时的热电势

E(t0,0)——热电偶热端温度为t0，冷端温度为0℃时的热电势

首先由电路图可知U热电偶=E(t,t0)，再比较公式(1)和公式(2)，可知通过合理选择铜电阻Rcu，使Uab=E(t0,0)，就能满足公式(2)，这样电路输出端的电势就等于热电偶冷端为0℃时电势，说明电桥能起到补偿作用了。

4　比例度δ的意义

比例度δ是控制器的一个重要参数，定义为控制器输入偏差信号变化的相对值与输出信号变化相对值的百分比，用公式表示如下[7]：

(3)

式中：e——输入偏差信号

xmax-xmin——控制器的输入信号变化范围

p——控制器的输出信号

pmax-pmin——控制器的输出信号变化范围

比例度的意义为控制阀开度改变100%即从全关到全开时所需要的输入信号必须改变全量程的百分比。如果只从比例度定义的公式理解，比较空洞。为此结合多年教学实践，以50%、100%、200%为例，绘制示意图如图4所示。在图中，用同一线型代表同一比例度，则输入相对变化与输出的相对变化在图上直观表达出来。通过调查，学生反应按照教材的内容理解比例度的意义较难，而按图4所示的方法则能轻松理解。

图4　比例度示意图

5　比例控制规律与积分控制规律

比例控制规律和积分控制规律分别为控制器的基本控制规律[7]，比例控制规律的数学表达式是：

P=Kpe

(4)

式中:P——控制器的控制信号

e——控制器的输入偏差信号

KP——控制器的比例增益

比例控制规律的特点是控制结果有余差，理解这个问题一方面可以从实例验证，另外也可以直接由公式(4)推导而得到结论。因为若想使控制器发出控制命令，则必然P≠0，而P≠0的前提是e≠0,e≠0则说明结果有余差。

积分控制规律的数学表达式是：

P=KI∫edt

(5)

式中：KI——积分速度

积分控制规律的特点是控制结果无余差，若想利用公式分析这个结论，需对上式两边同时微分，得到：

(6)

公式(6)左边代表控制器控制信号的变化速率，若控制器结束控制动作，发出的控制信号不再改变，则左式必然为0才可满足，而由上式可知左式为0的前提是右式中e=0,这说明控制结果是偏差即余差为0。

6　结　论

通过对教材中难点进行研究，改变讲解角度，变难为易，教学效果明显提高。教师只有在不断地教学与研究的过程中，才能在教学实践中及时汲取教学研究的最新成果、及时更新教材内容，不断充实新的科学知识、科学方法，才能掌握先进的教育教学技术手段，不断提高专业化水平，实现教学工作的创新，不断提高教学的质量，培养出符合时代要求的人才。

[1]潘懋元.21世纪国家的核心竞争力:教育-人才的合理结构[J].中国高教研究,2005(3):1-2.

[2]闫绍峰,熊晓航.过程装备与控制工程专业培养方案和课程体系的改革与实践[J].辽宁工学院学报:社会科学版,2007(5):12-15.

[3]刘俊明,段滋华.过程装备与控制工程专业加强过程教学的认识与实践[J].化工高等教育,2008(2):48-55.

[4]左海强,张兰,刘仁桓，等.过程装备与控制工程专业控制类课程教学与探讨[J].中国教育技术装备,2012(24):82-83.

[5]钟汉如.提高过程装备与控制工程专业的控制系列课程质量[J].化工高等教育,2004(4):109-111.

[6]王成刚,喻九阳,徐建民,等.过程装备与控制专业控制类课程教学改革的研究与实践[J].理工高教研究，2005，24(5):64-65.

[7]王毅.过程装备控制技术及应用[M].北京:化学工业出版社，2008:35-60.

Study on the Course Teaching of Contro Techniqle and Apply of Process Equipment*

LIU Hong-yan

(School of Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

The course of Control Technique and Apply of Process Equipment is one major compulsory course of Process Equipment and Control Engineering major.The general objective is to produce professional personnel with creative ability and practical skill.The course carries the task of nurturing students’basic abilities of analyzing and solving the problem of automatic control system.Some difficult points such as accuracy class,digital instrument resolution,thermocouple cold end temperature compensation,proportional band and control law,etc.,in teaching the course of Control Technique and Apply of Process Equipment was investigated.By the method of changing the explaining point and making a graph,the questions became easier to be understood.The teaching effect was obviously improved.

Control Technique and Apply of Process Equipment; teaching research; teaching innovation

河北省高等教育教学改革重点项目(No:102005)。

刘鸿雁(1971-)，女，副教授，主要从事过程控制及应用方面的教学。

G642.0

A

1001-9677(2016)06-0139-03