控制過程課程實踐教學新模式

劉文定 燕 飛 陳鋒軍 王東林

北京林業大學 北京 100083

控制過程課程實踐教學新模式

劉文定 燕 飛 陳鋒軍 王東林

北京林業大學 北京 100083

針對過程控制系統課程的特點，探討該課程的新教學模式，理論教學和實踐教學結構科學合理搭建，優化教學內容，把學生創新精神與實踐能力培養作為主線貫穿于整個教學過程，充分挖掘學生的智力和潛能，培養學生獲取知識能力的同時培養學生的創新能力，使學生學有所得，把專業知識化為實實在在的專業技能，為其日后就業打下堅實的基礎。

過程控制；創新能力；實踐教學

在科學技術迅速發展的今天，創新能力的培養是大學教育的核心任務，創新能力的培養主要是通過課程結構的科學合理搭建來實現的。在自動化專業課程的設置中,把學生創新精神與實踐能力培養作為主線貫穿于專業課程教學模式、教學方式、實踐教學內容等,可激發學生的求知欲，充分挖掘學生的潛力，培養學生的創造思維能力。特別是將理論教學與實踐教學活動科學、有效地結合為創新型人才培養模式并有所突破，對探究學科領域更深層次的發展有所創新。

過程控制系統是我校自動化專業的一門重要的專業課，開設在大四第1學期，過程控制課程綜合應用所學知識（模擬電子、數字電子、自動控制理論、計算機控制、控制系統仿真等）針對實際對象的多樣性、對象特性的難辨性、普遍存在滯后和耦合、特性往往具有非線性等諸多特點，提出多種有效合理的控制方案（單回路控制、串級控制、選擇性控制、比值控制、分程控制、計算機控制等）。探討該課程的新教學模式可加深理論知識解決實際問題的能力，提升學生的就業競爭力。

1 創新能力培養的教學模式

我校過程控制系統課程40學時（理論講授28學時、實驗10學時、討論2學時），如何在有限的教學時間內將控制系統、不同控制方案、控制系統參數整定等內容讓學生很好掌握并應用到實踐系統是我們這幾年一直在考慮和實踐的。為此，我們組織教研組相關教師從相關課程知識點的銜接入手，精選授課內容、突出控制系統設計的一般原理和基本方法，并輔助實踐內容支撐相關理論知識、同時拓展學生創新能力的培養。例如，過程控制系統數學模型的確定可以采用機理分析法和實驗法，機理分析法對于一些系統工作原理清楚、容易用對應的數學表達式描述的系統可以方便得到，但是在建立數學模型的時候通常要忽略掉一些次要因素、將系統的參數看成是定常的、集中參數的等，導致所建立的數學模型僅僅是實際系統的粗模型，有時可能無法真實描述實際系統的特性。特別是對一些過程控制系統的工作原理不是很清楚、有的無法用定理或定律來描述，提出問題讓學生首先自己考慮如何解決？如何對一個黑箱系統（完全不清楚系統內部結構）或灰箱系統（對系統結構部分了解）應用控制理論所學知識，典型輸入信號作用下系統的動態響應的關系作啟發引導鼓勵學生大膽提出各種各樣的方案，同時將過程控制系統課堂所講內容，被控對象特性的自平衡特性和無自平衡特性相結合引導學生首先分析系統的特性，給系統施加特定的輸入信號，采集輸出信號來獲得系統的動態特性。課堂教學中實時引出被控系統動態特性測試實驗，根據學生基礎和實驗能力的不同我們分成幾類，對已經熟練掌握教學內容且樂于創新、動手能力強的同學要求針對實驗室現有的三容水箱實驗裝置，構造被控對象的動態特性測試實驗內容。包括如何選取實驗設備、實驗原理、實驗內容、實驗步驟、實驗結果及分析等。通過實驗可以使這部分學生熟練掌握課堂所學被控系統動態特性測試原理，同時培養了學生獨立設計實驗、采用不同控制方案分析系統特性的能力，有同學提出水箱液位平衡后，突增干擾信號作用點位置、干擾信號大小等對系統動態特性測試是否有影響等問題。我們不急于回答，而是讓學生通過實驗給出結果，同時鼓勵將實驗結果和理論分析相結合，加深理論知識掌握，對學生畢業以后到實際工作中開展科學研究奠定了一定的基礎。對部分學習能力較弱的同學我們采用個別輔導同時加部分給出實驗內容，對一些關鍵的原理（如控制系統的動態特性是和系統的結構參數有關、不同輸入信號作用下的輸出響應可以建立系統的數學模型等）和實驗步驟（測量傳感器如何接、響應曲線的含義等），這部分學生在完成實驗以后，回過頭再復習課堂所學過的知識可以彌補以前知識的缺失，同時增加了信心，為下一次實驗打下基礎。被控對象動態特性測試的內容在課程期末考試中85%的同學拿了滿分。另外，部分同學在畢業設計中涉及不同類型系統的數學模型建立也采用過程控制課程中方法，做到學有所用。個性化自主研學，使學生對所學知識融會貫通，輔助實踐利于培養學生的學習興趣，不同層次的學生采用不同的方法，自己動手探究實際系統的原因和規律，可以鞏固所學知識，同時引發學生濃厚的認知興趣和強烈的求知欲望，鍛煉學生從實際工程中發現問題、分析問題和解決問題的能力。

2 創新能力培養的計算機輔助設計

過程控制系統涉及知識面廣、領域多，采用一般的理論教學方法很難達到良好的教學效果和知識傳授。隨著科學技術的發展，迫切需要在教學過程中創新引入新的教學方法，有效增強學生的創新能力和自主學習能力。Matlab仿真軟件中的Simulink工具箱，以解決非線性、時變系統、連續系統、離散系統、連續離散混合系統的模擬仿真，系統搭建方便、程序易編程、易拓展，為此，我們將Matlab仿真軟件與過程控制系統教學理論有機地結合，探討教學創新與實踐教學的新模式，實現教學手段和方法的創新實踐，有效地解決課程的知識難點，提高了學生的學習熱情，培養了學生的創新精神和工程實踐能力。

例如，單回路控制系統如圖1所示，它由被控對象、執行器、調節器和測量變送器組成一個單閉環控制系統。系統的給定量是某一定值，要求系統的被控制量能迅速克服干擾的影響到達穩定值。由于系統結構簡單，性能較好，調試方便等優點，故在工業生產中已被廣泛應用。

圖1 單回路控制系統方框圖

但是，單回路控制系統被控變量的選取、操作變量的選取對控制系統的控制品質關系重大，課堂上重點從控制通道和干擾構成的不同通道對系統的影響加以分析，得出選擇能直接反映過程產品又易于測量的參數作為被控變量（直接參數法）或選擇那些間接反映產品產量和質量又與直接參數有單值對應關系，易于測量的參數作為被控變量（間接參數法）。從諸多影響被控變量的輸入參數中，選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性能良好的輸入參數作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量看作系統的干擾，通過改變操縱變量去克服干擾的影響。理論講授學生感覺比較空洞難以理解，為此，我們開設單回路控制系統實驗，研究干擾對系統性能的影響，包括干擾通道的放大系數、時間常數及純滯后對系統的影響。由于實驗條件限制，直接在實際系統進行上述研究比較困難，為此，我們提出采用計算機輔助設計的方法讓學生先進行分析，研究復雜的生產過程中多個干擾量，不同形式、不同大小的擾動作用在系統中不同的位置所產生的靜差的問題，如圖2所示。

仿真結果如圖3所示。根據干擾作用點對調節質量影響的分析，主要干擾施加點越靠近調節閥，控制質量相對較高的原則，方案Ⅰ的干擾作用點與對象的輸入重合，調節作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案Ⅱ次之，方案Ⅲ最差。從控制的品質這方面考慮，應該選擇方案Ⅰ，即選擇乳液流量作為操作變量。但是，在選擇調節方案時，還得從工藝角度來考慮，方案Ⅰ并不是最有利的。但是物料流量是負荷。另外在乳液管線上裝了調節閥，容易使濃縮乳液結塊，降低產量和質量。因此，綜合以上分析比較，選擇方案Ⅱ是比較好的，即采用旁路空氣作為操作變量。通過仿真實驗對課堂上所講的干擾通道的放大系數Kf會影響干擾加在系統中的幅值。若系統是有差系統,則干擾通道的放大系數愈大,系統的靜差也就愈大；如果干擾通道是一慣性環節,時間常數為Tf,則階躍擾動通過慣性環節后，其過渡過程的動態分量被濾波而幅值變小。即時間常數Tf越大，則系統的動態偏差就愈小；干擾通道中還會有純滯后環節，它使被調參數的響應時間滯后一個τ值，但不會影響系統的調節質量。這大大加深了學生對所學知識的理解，對培養學生的探索精神和創新能力有很大的幫助，同時，為今后實際系統的仿真分析設計打下了堅實的基礎。

圖3 不同控制方案及擾動作用控制效果

3 發揮學生主體作用，培養學生創新能力

創新型人才必須具有創新型思維,而工科學生的創新能力依賴于實踐的鍛煉、實踐能力的培養。如何充分發揮學生的主體作用,探究實踐創新模式與傳統實驗模式是工科院校培養創新型人才的重要途徑。

單回路控制系統結構簡單，但難于適應工藝參數間關系比較復雜的控制，特別是現代大規模工業生產、高精度、高效益的要求。為此，我們從隔焰式隧道窯溫度控制系統的單回路控制系統入手提出串級控制系統，圖4是串級控制系統的結構圖。該系統有主、副兩個控制回路，主、副調節器相串聯工作，其中主回路構成定值控制，副回路構成隨動控制系統。

課堂教學中我們講到串級控制系統在結構上僅僅比簡單控制系統多了一個副控制回路，但對系統的影響特別大。副回路的引入減小了對象的時間常數，改善了過程的動態特性；提高了系統工作頻率，能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統抗擾動能力；主回路是一個定值控制系統，副回路卻是一個隨動控制系統，其設定值隨主控制器的輸出而變化，適應負荷變化的能力較強，系統具有一定的自適應能力。這大大激發了學生濃厚的認知興趣和強烈的求知欲望，想通過親自動手探究實驗現象和實驗結果，我們安排了4小時的實驗，自己從實際系統提出存在問題并通過實驗加以輔證、再從理論知識構造新的控制方案、制定實驗方案，教師在過程中不強求實驗結果而重點鼓勵學生創新、提出一些思考問題如：串級控制系統為什么對主擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力？如果副對象的時間常數與主對象的時間常數大小接近時，二次擾動對主控制量的影響是否仍很小，為什么？當一次擾動作用于主對象時，試問由于副回路的存在，系統的動態性能比單回路系統的動態性能有何改進？等問題引發學生強烈的求知欲望，學生充分理解和掌握理論知識，綜合應用所學的專業基礎知識，掌握串級控制系統設計的特點、方法和步驟，培養解決和處理工程實際問題的能力。

4 結束語

理論教學和實踐教學結構科學合理搭建，優化教學內容，把學生創新精神與實踐能力培養作為主線貫穿于整個教學過程，充分挖掘學生的智力和潛能，培養學生獲取知識的能力的同時培養學生的創新能力，使學生學有所得，把專業知識化為實實在在的專業技能，為其日后就業打下堅實的基礎。

[1]王國強.示范中心管理模式的探索與實踐[J].高等理科教育,2005，5:108～111

[2]吳才章.對自動化專業實踐教學體系的研究與實踐[J].河南工業大學學報(社會科學版),2010,6(1)：116～119

[3]劉文定，王東林.過程控制系統的Matlab仿真[M].北京:機械工業出版社,2009

Abstract:Aiming at the characteristics of process control system course,discusses this course of new teaching mode，Theory teaching and practice teaching scientific structure reasonable constructing, to optimize the teaching content, The students' innovative spirit and practice ability as mainline throughout the teaching process, fully excavate students' intelligence and potential, cultivating students' ability to gain knowledge and cultivate students' innovative abilities, make students learn, the professional knowledge into truly, truly professional skills, for their future employment and lay a solid foundation.

Key words: process control；innovation ability；practice teaching

Discusses the new practice teaching mode in the control process course

Liu wending, Yan Fei, Chen fengjun, Wang Donglin
Beijing forestry university, Beijing, 100083, China

2010-11-01

劉文定，碩士，教授。

北京林業大學教改課題資助項目。