独立学院“过程控制”课程教学改革探索

于新业+易艺+窦文淼

【摘 要】本文针对独立学院“过程控制”课程教学中存在的内容涉及范围广、工程实践性强等问题，提出在“过程控制”课程教学中采用理论、实验、实训三合一的教学模式，并将Matlab/Simulink、PLC、单片机等相关知识穿插在“过程控制”课程的不同阶段，使该课程的软件与硬件、理论与实践等知识有机地结合在一起，探索出有助于培养独立学院自动化专业学生创新能力的教学方法。

【关键词】独立学院 过程控制课程 实践教学 教学模式

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）03C-0066-02

过程控制是自动化专业极为重要的专业课程。由于该课程具有内容涉及面广、紧跟学科发展的前沿、理论与实践紧密结合等众多特点，因此学生很难理解和掌握该课程的内容，做不到融会贯通。据调查，目前国内绝大多数高校开设过程控制课程的理论教学大部分采用多媒体课件进行授课。为了给学生获得工程现场的感性认识，教师在授课的过程中，除了讲授理论知识外，还展示了大量的工程现场图片或视频。课程的实验通常采用两种方法：第一，学生在购买或自主研发的过程控制实验装置上进行实验。第二，学生利用Simulink 软件，利用Simulink 建模和控制算法仿真对工业对象进行单纯的控制算法仿真验证。由于学生从学完课程的理论知识到进行实验的时间一般很久，因此，对于第一种实验方法，大部分学生往往会忘记很多理论知识，同时由于实验课程时间有限，很多同学难以完成实验，更谈不上将理论知识运用到实践中去，做到学以致用。而对于第二种实验方法，由于学生采用仿真软件进行实验，没有硬件的支撑，因此学生很难有工程环境的概念。针对过程控制课程教学存在的问题，本文从獨立学院培养学生的应用能力和工程实践能力这一目标出发，对该课程进行了教学改革探索。

一、教学模式设计

桂林电子科技大学信息科技学院自动化专业过程控制实验室具有两套由杭州云创仪器设备有限公司提供的YCGK-1型过程控制综合实验装置和41台计算机。实验装置由如图1所示的实验控制对象、实验控制平台（PLC、采集卡、DDC控制模块）以及上位监控PC机共三部分组成。该实验装置将自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术以及现场总线技术集为一体，可实现温度、压力、流量、液位等热工参数的控制，系统参数辨识，单回路控制，串级控制，滞后控制，比值控制，解耦控制等多种控制方式。实验装置可以连接局域网，并通过局域网中的计算机实现对各种控制方式的选择。教学模式从理论、实验和实训共三个方面进行设计，教学内容根据工程应用的实际情况和学生的接受能力进行安排，使它们成为一个有机的教学整体。教学模式具体设计和做法如下：

过程控制课程的研究内容、分类、发展、任务、工程表示及指标等内容安排在理论课堂上完成，课堂上将要讲授的内容通过文字、图片和视频等多媒体方式展示给学生，使要讲授的理论知识点尽可能的容易理解，做到通俗易懂。

对象数学模型的建立是生产过程实现良好控制必不可少的条件，因此，对象数学模型的建立内容是过程控制课程教学的重点之一，除了理论知识的教学外，该部分内容还应加强实验教学内容的设计，采用Matlab/Simulink软件对过程对象进行建模与分析计算。

单回路控制系统（简单控制系统）是所有控制系统的基础，其他的控制系统多数以单回路控制系统为基础实现，而且该部分内容涵盖了单回路控制系统各组成部分的模型（传递函数）分析、各部分相关参数对系统的影响、执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择、控制参数的整定等多方面内容。因此，该部分内容既是课程教学的重点也是难点，在增加理论知识课时量的同时，更应注重该部分内容的工程实践应用，增加学生亲自动手操作的机会，加强该部分实验教学内容的设计，实验教学采用DDC控制系统。

串级控制、比值控制、前馈控制、选择控制和其他控制系统的教学，采用在理论课堂上将其基本原理介绍清楚（单回路控制系统的延伸），对其中较为典型的串级控制系统的实验内容进行了设计，并加强了实验环节。

实验环节的课时数安排了16学时，4个实验，每个实验4学时，并进行了开放性实验，以加强学生对理论知识的理解，做到学以致用。由于实验室只有2台过程控制实验设备，不能让每个学生同时进行操作，因此只能让学生分时操作实验设备，没有轮到使用到实验设备的学生进行实验项目相关的仿真任务练习。实验内容的设计分为4个实验，分别为：（1）过程对象的建模实验；（2）实验设备认识及仪表特性实验；（3）单回路控制系统设计与参数整定；（4）串级控制系统设计与参数整定。

在进行实验设备采购时，要求厂家将所有传感器与执行器的信号接口留出。为了进一步提高学生的实践动手能力，利用实验室有限的实验设备，设计了该课程的实训。实训题目设计有：（1）单容水箱液位控制系统；（2）锅炉内胆温度控制系统。要求学生使用实验设备的传感器与执行器接口，自行设计控制回路（不使用实验控制平台上的PLC、采集卡和DDC控制模块），可以使用单片机、PLC和模拟/数字电路实现。

过程控制课程中使用到的网络知识内容安排在桂林电子科技大学信息科技学院自动化专业的“工业通信网与控制技术”课程中进行讲授，实验中进行了以太网和RS485的使用和操作。

过程控制课程的教学模式采用理论、实验和实训紧密结合，理论课将相关内容讲授完毕，立即安排进行实验，并根据学生的学习情况设计3种难度（难、中、易）的实训题目供学生选择，待理论课和实验课结束后，让学生进行实训，最后将实训作品与实际对象对接联调，完成整个课程的教学，形成总结报告。

二、教学实施

过程控制课程的教学实施主要是把理论、实验和实训进行有机地结合，使学生能把理论课堂的知识迅速地通过实践环节进行验证而加强理解，并做到学以致用，不断提高自身的工程应用能力。教学实施过程如下：

首先，在理论课程中讲授对象建模内容后，便进行对应的实验。由于学生对实验设备并不熟悉，第一次实验中需要将用到的实验管道工艺流程图和各个部件进行讲细说明。设计的实验内容是以单容水箱液位为对象进行控制对象的建模，该部分内容用到的对象是图1中的3个水箱之一，以水箱3为例，需要打开V6（手动排水阀）、1V3阀门（手动进水阀），用到的传感器是液位3，执行器为电动阀DDF和增压泵。实验要求学生2人一组操作，将1V3阀门全开，V6阀门开度为实验学生分组号的函数（V6不同的开度得到不同的对象模型，避免学生抄袭数据），施加阶跃信号（电动阀开度控制）便可得到水箱3液位变化数据及曲线，根据所得的数据及曲线便可求取单容水箱液位的传递函数。实验装置只有两套，同一时刻进行实验操作的学生只有4人，其他的同学如果没有安排任务将会闲着浪费时间，因此必须安排其他相应的实验任务：（1）将水箱尺寸数据和阀的流量关系提供给学生，让学生根据物理参数进行机理法建立水箱的数学模型；（2）已經测得数据的学生根据所测得数据求出水箱的数学模型，并与机理法求得的数学模型进行比较。

单回路控制系统部分的理论讲主要分两大部分：系统分析和系统设计。在系统分析部分设置实验设备认识及仪表特性实验，让学生进一步认识实验装置的管路特点，并对测量变送器与执行器的特性进行测试，即得到传感器和执行器的数学模型，该部分实验中同样设置相关的仿真练习，如标度变换、获取的装置数据分析等。在系统设计部分设置单回路控制系统设计与参数整定实验，根据要求与装置中仪表的特性设计单回路控制系统（如单容水箱液位控制系统），并进行控制参数的整定。没有操作实验装置的同学，则进行给定系统的参数整定仿真练习和对已经操作的实验数据进行分析总结。在这个阶段，给学生设置实训的任务要求，要求学生广泛查阅资料，进行实训题目的选择，并进行初步设计。

最后一部分和实践相关的内容选取了串级控制系统，该部分的教学设计与单回路控制系统类似。同时补充实训题目及要求。

整个课程教学过程中，实验室资源对学生开放，在理论课程结束后，给学生两周的时间完成实训的软件和硬件设计，并进行参数整定，最后完成实训的验收和答辩工作。

三、结论

过程控制课程是集理论性与工程实践性为一体的课程，将理论、实验和实训等各个环节有机结合可以达到良好的教学效果，同时让学生将仿真与单片机和PLC等系统软硬件设计结合到一起，达到知识综合应用的目的，该教学模式在自动化专业学生中进行了教学改革试点，获得了良好的教学效果。学生对过程控制课程中的过程控制对象、测量变送装置、执行机构和调节器等环节有了深刻的认识，基本能够胜任常规过程控制系统的设计、调试、维护等工作。

【参考文献】

[1]郭一楠，程健，陈颖.基于LabVIEW和MATLAB的过程控制虚拟仿真平台研究[J].电气电子教学学报，2006（2）

[2]雷振伍，吴秀冰，孙德辉，等.基于PCS7和Simulink的过程控制虚拟仿真实验平台开发[J].实验技术与管理，2016（1）

[3]艾红.自动化专业过程控制方向教学与实践探讨[J].实验技术与管理，2014（6）

[4]王淑红，黄晓峰，李双科.基于组态王的过程控制综合实验测控装置[J].自动化与仪器仪表，2006（1）

【基金项目】2015年广西高等教育本科教学改革工程立项项目“自动化仪表与过程控制课程教学改革研究”（2015JGA415）

【作者简介】于新业（1979— ），男，山东平度人，硕士，桂林电子科技大学信息科技学院讲师，工程师；易 艺（1983— ），男，广西防城人，硕士，桂林电子科技大学信息科技学院高级实验师；窦文淼（1984— ），女，天津宝坻人，硕士，桂林电子科技大学信息科技学院助理实验师。

（责编 王 一）