“过程控制系统”课程教学探索

吴建国, 张培建， 姬文亮

( 南通大学 1. 电气工程学院， 2. 电子信息学院 ， 江苏 南通 226019)

“过程控制系统”课程教学探索

吴建国1, 张培建2， 姬文亮1

( 南通大学 1. 电气工程学院， 2. 电子信息学院 ， 江苏 南通 226019)

本文针对我校自动化专业人才培养目标，结合“过程控制系统”课程的特点，重点围绕培养学生系统理念、实施项目驱动教学、课内与课外相结合以及构建高水平过程控制实验室等方面，介绍了该课程教学的一些成功做法。

过程控制系统；自动化专业；项目驱动

0 引言

“过程控制系统”是自动化专业的一门具有较强专业性和实践性的主干课。对该课程教学的基本要求是：通过这门课程的教学，使学生能运用控制理论原理，结合生产过程机理，利用自动化仪表及装置去从事生产过程的分析、设计、运行和开发研究工作[1]。

为了使“过程控制系统”课程满足教学要求，许多学校的教师在教学方法、教学形式等方面进行了卓有成效的改革。文献[2]将部分理论教学学时安排在实验室进行，针对实际装置进行现场讲解，并辅以工业生产过程视频、动画、仿真等方式进行模拟。文献[3]采用了课堂上利用Matlab仿真、课外开放式实验教学的做法，取得了较好的教学效果。文献[4]采用项目驱动和以学生为中心的方式改革实验教学内容、教学模式以及兼顾过程与结果的实验评价方式。客观上讲，这些教学方法与教学形式的改革，提高了“过程控制系统”课程的教学效果。但是，从自动化专业人才培养的目标来讲，我们认为，“过程控制系统”课程还应发挥更加重要的作用。

“过程控制系统”课程作为一门专业课，在它之前已开设了多门涉及到控制与系统的专业基础课，如“电路分析”、“模拟电子技术”、“自动控制原理”、“现代控制理论”、“计算机控制系统”、“传感器与检测技术”等。许多学生在此前学习过程中，往往是孤立地学习这些课程，并没有很好关注这些课程之间存在的联系。即使一些课程考了高分，仍未达到人才培养的要求。

“过程控制系统”作为课程体系中的最后关口，在这门课程的讲授过程中，我们应与前序课程有机结合，这样才能完完整地巩固学生的控制与系统知识，从而发挥该课程的核心的作用。除此之外，我们还应在教学方法上采取新的举措，培养学生能力，提高学生的素质。

1 培养学生的系统理念

对于过程控制系统来讲，它是控制系统的子集，又是系统的子子集。在讲授“过程控制系统”课程时，我们不能仅仅围绕过程控制系统讲授，而应拓展课程的外延，要让学生跳出过程控制系统，最终培养学生的系统理念。

系统是由若干要素组成的具有一定功能的有机整体。系统具有整体性、层次性、开放性、目的性、突变性、稳定性、自组织性以及相似性的基本特征[5]。掌握系统这些特征对于学生未来发展至关重要。即使多数学生毕业后从事的工作是与过程控制紧密联系的一线技术岗位，若干年后，他们中有部分可能会进入管理岗位，而“管理就是控制”，从事管理工作必须具备系统的理念。所以，让学生掌握系统的基本特征，培养学生系统理念，对学生未来的发展十分重要，我们将系统理念的培养看作是重要的素质培养内容。

每次为学生上第一堂课时，我们总会做一个形象的比喻，将宇宙对应系统，将银河系对应控制系统，将太阳系对应过程控制系统。从而使学生了解系统、控制系统，以及过程控制系统之间的关系,如图1所示。

图1 三种系统的示意图

那么，如何培养学生的系统理念？在“过程控制系统”课程讲授中，我们有意地拓展过程控制系统的外延，通过将过程控制系统与运动控制系统进行对比，将过程控制系统外延到一般控制系统。我们通过对一般控制系统各环节之间的关系描述，使学生明确这些环节(要素)构成具有一定功能的有机整体，这就是所谓系统的整体性原理。此外，我们再结合过程控制系统，分析系统稳定性、层次性等原理。系统的稳定性原理是指在外界作用下，系统具有的在一定范围内自我调节，从而保持和恢复原来的有序状态的能力。对于系统的稳定性原理，我们可以通过控制系统的稳定性分析来解释。系统的层次性原理是指系统组织在地位与作用、结构与功能上表现出的等级秩序性。对于系统的层次性原理，我们可以通过基于DCS的过程控制系统的分层结构加以解释。为使教学更加生动和形象，我们通过列举金融、房价调控等实例，分析国家出台的宏观调控措施以及效果，使学生了解到系统无所不在。以上的一些做法，不但使学生加深了对过程控制系统的了解，也使他们了解到系统与控制的密切关系。这样，我们从具体的过程控制系统入手，逐步拓展到一般的系统。使学生跳出过程控制系统，学会在系统层面上看问题与思考问题。显然，要达到以上教学效果，对教师的知识结构、生活阅历都提出了要求。

2 项目驱动教学

“过程控制系统”课程教学可采用项目驱动教学法。在“过程控制系统”课程一开始，我们就从项目选择入手，给学生布置一个单回路控制系统的设计任务(通常是温度控制或者是液位控制)。单回路控制虽然在反馈控制中属于最简单的系统，但在实际应用中占的比例最高。并且，单回路控制系统所采用的反馈控制策略，对于培养学生分析问题、解决问题能力至关重要。因此，在课程教学的开始阶段，我们要求学生紧紧抓住单回路控制系统。虽然单回路控制系统所涉及的被控对象、测量与变送器、执行器以及控制器分散在不同章节中。我们要求学生不要孤立地学习这些内容，而是把它们放在控制系统内总体考虑。这样做的目的也体现了对学生系统理念的培养。项目驱动教学采取课内课外相结合，当单回路控制系统的相关内容都讲授完毕，学生将提交一个单回路控制系统的设计方案，该设计方案包含相关自动化仪表的配置。同时，我们及时安排一个单回路控制系统实验，确保学生真正掌握单回路控制系统。学生牢固掌握了单回路控制系统后，接下来的串级控制系统、前馈控制系统等内容，就比较容易掌握了。

3 课内课外相结合

通常“过程控制系统”课程为32学时或48学时，由于教学内容多，所以课堂教学的学时非常紧张。为了提高该课程的教学效果，我们十分重视学生课外的学习。除了布置一些必要的作业外，围绕项目驱动，我们通常安排一些如下的实践性内容。

1)单容容器的实验法建模

在讲授完被控对象的动态特性以及建模方法后，给学生布置一个课外作业，即单容容器的实验法建模。学生需自己准备的实验器材有：雪碧瓶子1只、直尺1把、计时器1个。实验前，学生将雪碧瓶子底部开一小洞，使其具备有自衡容器特性，并将直尺与瓶子捆绑在一起。学生自由组队，2-3人一组，找一个有自来水的地方完成该容器的实验法建模。虽然该实验可以在实验室内完成，由于实验设备台套数的限制以及实验过程主要是简单枯燥的实验数据记录，课内效果不一定好。而安排在课外让学生自己准备实验器材，独立完成实验，效果反而更佳。通过几届学生的实践，我们发现学生对该课外实验内容十分感兴趣，都感到动手能力得到提高。该项内容也是项目驱动教学的一部分。

2)完成过程控制系统配置

按照“过程控制系统”课程的教学要求，学生最终能利用自动化仪表及装置去从事生产过程的分析、设计、运行和开发研究工作。学生毕业后一旦从事生产过程控制工作，首要任务就是根据一个具体的被控对象与控制要求，实现对控制器、测量与变送器、执行器等自动化仪表选型，即进行系统配置。一般的“过程控制系统”教材中，并未涉及到系统配置的内容。我们在布置课外实践活动中，包含了这项内容，要求学生在掌握单回路控制系统原理的基础上，借助于互联网收集相关自动化仪表的资料信息，针对一个具体的被控对象与控制要求，完成相应的自动化仪表配置。这要求学生选择合适精度的测量与变送器，选择符合要求的执行器，同时要考虑其流量特性。在学生提交的报告中，学生不但须具体提供这些自动化仪表具体的生产厂家、型号和价格，还要给出选型依据，并进行经济分析。通过该项目的训练，学生掌握了系统配置的方法，掌握了如何利用互联网收集相关自动化仪表资料信息的方法，所收集的信息对于以后的工作也十分有帮助。同时，对选型的自动化仪表进行经济分析，可以有意识地培养学生注重在设计过程中应综合考虑经济、环境、法律等制约因素。

3)Matlab仿真训练

Matlab是“过程控制系统”的前序课程内容之一。在“过程控制系统”课程讲授过程中，我们注重学生应用Matlab这个工具，经常布置一些仿真验证的题目。如被控对象的动态特性分析、单回路控制系统设计、串级控制系统设计、SMITH预估控制器设计等环节，都会涉及到Matlab仿真训练。

4)开展兴趣小组活动

将一些对过程控制兴趣浓厚的学生，组成兴趣小组，鼓励他们利用课外时间进实验室结合课程内容开展活动。活动包括熟悉各类智能控制仪表和测量仪表；熟悉DCS的应用；完成课程要求之外的实验等。

通过以上这些课外教学环节的开展，既培养了学生动手能力、团队精神，又极大提高了学生的学习兴趣，同时也增强了学生的成就感。

4 构建过程控制系统实验室

“过程控制系统”是一门实践性很强的课程，构建过程控制系统实验室是该课程达到教学要求的基本保证。从2002年开始，我们就与浙江中控公司合作规划并构建了高水平的过程控制系统实验室[6]。通过十多年的建设，目前过程控制系统实验室拥有浙江中控公司生产的JX-300X控制系统3套、ECS-100控制系统1套，与其配套的工程师站18套，另有过程控制实验装置7套。这些过程控制实验装置既可以独立完成自动化仪表控制实验，也可以与DCS装置相结合，完成DCS实验。过程控制系统实验室的特点可以概括为

(1)过程控制对象真实。测量与变送器、执行机构、DCS均为工业级产品。

(2)便于各类控制算法(包括先进控制算法)在与工业现场相吻合的条件下进行实验。

(3)控制对象灵活多变。过程控制实验装置由水塔、微型锅炉、双容容器以及管路组成，并配有大时滞的模型，通过管路的灵活调整，实现不同的控制对象组合，从而构造出各类控制回路。

(4)选取的生产工艺过程具有代表性。以温度、压力、流量和液位这些生产过程中典型的过程参数作为被控参数。

(5)控制方式多样化。利用被控参数之间的交联，可构成复杂控制方式。借助于DCS和过程控制实验装置，除了进行简单、复杂过程控制系统设计外，还可进行先进控制技术研究。

利用该实验室，我们不但可以通过实验来验证一些设计方案与控制算法，更重要的是让学生在课程开始阶段就能熟悉各种自动化仪表，亲身体验控制系统的工作过程，加深对系统的了解。

实验室实行开放制度，对过程控制系统感兴趣的学生可以自由进实验室开展实验。

5 结语

在“过程控制系统”课程教学过程中，我们注意增加趣味性，始终让学生保持新鲜感和好奇感，最大限度地调动学生参与课程教学的主动性、积极性和创造性，让学生在快乐的氛围中学习。我们采用项目驱动教学以及课堂内外相结合的方法，调动了学生的学习积极性，让学生学会了围绕一个具体的课题进行资料收集，为学生提供尽可能多的动手机会。可以说，我们将一些非专业因素的综合能力与素质教育贯穿了整个“过程控制系统”课程教学活动中，从而培养了学生的创新意识、自学能力、团队合作精神以及总结与表达能力。使学生在牢固掌握控制与系统知识的同时，学生的能力与素质也得到相应培养。

实践表明，“过程控制系统”课程在培养学生运用工程基础知识和本专业的基本知识解决问题的能力，培养学生掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的能力，培养学生设计和实施工程实验的能力，培养综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力以及培养学生组织管理、表达和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力，自主学习和适应发展的能力等方面起到积极作用。

[1] 陈夕松,汪术兰.过程控制系统[M].北京:科学出版社,2005.[2] 杨佳,许强,雷绍兰等. “过程控制系统”课程教学及实验改革探索[J].北京:中国电力教育,2010,10::125-126

[3] 李天华,施国英,侯加林.改革过程控制系统课程，提高学生应用能力[J]上海:实验室研究与探索.2013,32(1):111-113

[4] 杨马英,李敏,陈伟峰.“过程控制系统”课程的实验教学改革[J].南京:电气电子教学学报.2015.37(2):106-108

[5] 魏宏森,曾国屏.系统论[M].北京:清华大学出版社.1995.

[6] 张培建,吴建国.人才培养、科学研究、服务社会-谈南通大学“生产过程控制实验室”的创建与三大功能发挥[J].南京:电气电子教学学报.2006.28(5):88-91

Teaching Exploration of Process Control System Course

WU Jian-guo1, ZHANG Pei-jian2, JI Wen-liang1

(1.SchoolofElectricalEngineering, 2.SchoolofElectronicInformation,NantongUniversity,Nantong226019China)

In this paper, the training target of the automation professionals combined with the characteristics of the process control system program, focusing on training student system concept, teaching with project driven, the combination of in-class and after-class and building the high level process control laboratory, etc. On this basis, some successful practices in this course are introduced.

process control system; automation major; project driven

2016-04-06;

2016-09- 27

江苏高校品牌专业建设工程资助项目(项目号：PPZY2015B131)

吴建国(1955-)，男，博士，教授，主要从事复杂生产过程先进控制的教学和研究，E-mail:wu.jg@ntu.edu.cn

G642.44;TP21

A

1008-0686(2017)01-0045-04