“生產(chǎn)過程控制及應(yīng)用”實(shí)踐課教學(xué)探討

劉成云

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

“生產(chǎn)過程控制及應(yīng)用”是我校為控制工程領(lǐng)域工程碩士研究生開設(shè)的一門專業(yè)實(shí)踐必修課。由于對工程碩士的培養(yǎng)目標(biāo)側(cè)重于工程應(yīng)用，因此不能采用本科生學(xué)習(xí)“過程控制系統(tǒng)”的教學(xué)模式。我們結(jié)合工程碩士側(cè)重于工程應(yīng)用和實(shí)踐的特點(diǎn)，利用一套過程控制的A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開展實(shí)踐深教學(xué)[1]。本文對該實(shí)踐課從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目確定和教學(xué)方法改革進(jìn)行了探索。

1 課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的確定

過程控制通常是指以溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的生產(chǎn)過程的自動控制，它既需要專業(yè)基礎(chǔ)理，又需要論聯(lián)系實(shí)際[2]。對于工程碩士研究生來說，我們以過程控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計和整定所需要的理論和方法為主線，以工業(yè)控制領(lǐng)域的實(shí)際需要為目標(biāo)，利用實(shí)驗(yàn)室配備的三套模擬工廠現(xiàn)場工業(yè)過程控制的A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(如圖1所示)，進(jìn)行“生產(chǎn)過程控制及應(yīng)用”的實(shí)踐課教學(xué)。對該課程提出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生清楚原理、步驟及注意事項(xiàng)等，并最終能按照要求完成參數(shù)的調(diào)節(jié)，控制最后的穩(wěn)定[3，4]。為此確定了如下六個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)了解A3000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成、組態(tài)軟件的認(rèn)知及單容下水箱液位調(diào)節(jié)閥PID單回路控制;

(2)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)閥PID單回路控制及壓力變頻器PID單回路控制;

(3)實(shí)現(xiàn)下水箱液位和進(jìn)口流量串級控制;

(4)實(shí)現(xiàn)下水箱液位前饋反饋控制;

(5)完成管道壓力和流量解耦控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);

(6)完成模糊控制算法的研究。

圖1 A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中(1)和(2)是針對該系統(tǒng)設(shè)置的基本的實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生要熟悉A3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)，了解現(xiàn)場系統(tǒng)和控制系統(tǒng)各自的組成和操作，軟件系統(tǒng)的組成和編程。對這些基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅會熟練操作，還要按照要求編寫控制程序和組態(tài)程序，完成參數(shù)調(diào)節(jié)，最后達(dá)到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(3)、(4)和(5)屬于復(fù)雜設(shè)計型，其難度較高，每次實(shí)驗(yàn)需要的時間也很長。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(3)不僅要求學(xué)生學(xué)習(xí)閉環(huán)串級控制的原理，還要了解閉環(huán)串級控制的特點(diǎn)，掌握閉環(huán)串級控制的設(shè)計，尤其是主副參數(shù)的選擇和主副回路的設(shè)計;要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，獲得最佳的控制效果，并通過干擾來驗(yàn)證;而且學(xué)生還要通過抓圖的方法提交獲得的曲線，給出最佳串級控制參數(shù)并解釋如何調(diào)節(jié)串級控制;最后還讓他們思考分析液位流量串級控制和雙容液位串級控制的區(qū)別以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(4)要求學(xué)生掌握前饋-反饋的特點(diǎn)，并掌握前饋—反饋控制的設(shè)計，給出實(shí)驗(yàn)方案，利用設(shè)計報表每20分鐘記錄一組數(shù)據(jù);并在記錄中顯示報警時間和報警限值，給出最佳控制參數(shù)，并思考前饋—反饋控制與串級控制的區(qū)別以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(5)要求學(xué)生掌握解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計，觀察流量的改變是否導(dǎo)致壓力的改變，并在解耦后對調(diào)節(jié)儀進(jìn)行整定，觀察整定效果，記錄下全部數(shù)據(jù);該實(shí)驗(yàn)還要求學(xué)生思考如果在換熱器上設(shè)計解耦實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(6)是更復(fù)雜的創(chuàng)新型設(shè)計與研究。此類項(xiàng)目沒有現(xiàn)成的模式，完全取決于學(xué)生的自主創(chuàng)造性。學(xué)生可以充分利用實(shí)驗(yàn)室的軟硬件資源確定實(shí)驗(yàn)任務(wù)。該任務(wù)要求有一定的綜合性，和系統(tǒng)性、全面涉及到模糊控制相關(guān)理論知識。學(xué)生要學(xué)習(xí)模糊控制的原理，了解其特點(diǎn)，還要設(shè)計出對于鍋爐水泵控制系統(tǒng)的控制算法并在控制器中實(shí)現(xiàn)，然后調(diào)研論證并確定設(shè)計方案，最后進(jìn)行系統(tǒng)測試并形成技術(shù)文件。整個過程在教師的監(jiān)督指導(dǎo)下獨(dú)立完成。

2 課程教學(xué)方法的改革與探索

2.1 采用的項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法是教師將需要解決的問題或需要完成的任務(wù)以項(xiàng)目的形式提交給學(xué)生，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生以個人或小組工作方式，按照實(shí)際工作的完整程序，制定計劃、共同或分工完成一個完整項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動。“生產(chǎn)過程控別及應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)要求采用項(xiàng)目教學(xué)法，讓每個學(xué)生都能積極參與到具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中去。

我們以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(3)下水箱液位和進(jìn)口流量串級控制為例介紹教學(xué)法。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)是設(shè)計一個串級控制器，學(xué)生確定工作步驟和程序，制定項(xiàng)目的實(shí)施計劃。利用現(xiàn)場模擬工廠過程控制的A3000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺進(jìn)行操作，并利用上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)編程，調(diào)整參數(shù)的設(shè)置，獲得最佳的控制效果。

2.2 培養(yǎng)的工程意識及團(tuán)隊(duì)精神

實(shí)驗(yàn)室配備的A3000高級過程控制系統(tǒng)是具有真實(shí)情境的工業(yè)生產(chǎn)過程的現(xiàn)場模擬裝置，為生產(chǎn)過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)賦予更實(shí)際的工程意義，為學(xué)生提供完整、真實(shí)的問題背景。在觀察和操作過程對象時，學(xué)生自己完成系統(tǒng)硬件組態(tài)，有利于他們的知識融合、技術(shù)鍛煉、思維培養(yǎng)和探索創(chuàng)新，也促進(jìn)了理論和工程的結(jié)合[5]。

在實(shí)驗(yàn)實(shí)施的具體過程中，指導(dǎo)教師要發(fā)揮引導(dǎo)作用，要求小組成員以團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神來共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并一起應(yīng)對實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題和困難。所以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的運(yùn)行對學(xué)生協(xié)作精神的培養(yǎng)具有積極作用，對自動化專業(yè)工程碩士開設(shè)的“生產(chǎn)過程控制及應(yīng)用”實(shí)踐課在工程應(yīng)用中開展教學(xué)，為他們提供了工程體驗(yàn)的機(jī)會。

2.3 教學(xué)形式改革

我們采用的教學(xué)形式主要是結(jié)合該實(shí)踐課的自身特點(diǎn)和具體的授課內(nèi)容，全部安排在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。我們針對實(shí)際裝置進(jìn)行現(xiàn)場講解，輔以工業(yè)生產(chǎn)過程視頻、動畫和仿真等方式進(jìn)行展示，并補(bǔ)充大量工程應(yīng)用實(shí)例。我們將典型生產(chǎn)設(shè)備引入課程中，介紹工藝特點(diǎn)、分析動態(tài)特性，根據(jù)過程的動態(tài)特性和工藝要求提出各種控制方案并進(jìn)行比較，選擇工程實(shí)施最優(yōu)方案，避免學(xué)生盲目將控制理論套用到生產(chǎn)過程中[6]。

考慮到學(xué)時的限制和實(shí)際設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度，我們學(xué)生的成績評定，要結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成的質(zhì)量和在具體實(shí)驗(yàn)過程中工作態(tài)度、協(xié)作能力和創(chuàng)新思維等表現(xiàn)給出，而不是單以實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行最終評定。

3 結(jié)語

本文根據(jù)“生產(chǎn)過程控制及應(yīng)用”實(shí)踐技術(shù)課授課對象和自身的特點(diǎn)，就實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目確定、教學(xué)方法改革兩大方面進(jìn)行了探索和研究。由淺入深、由基礎(chǔ)到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置符合學(xué)生的思維規(guī)律，也能喚起對過去學(xué)習(xí)知識的記憶。再加上對教學(xué)方法的初次改革和嘗試有效提升了學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程意識，也達(dá)到了對本領(lǐng)域工程碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)和要求。

[1]A3000過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.北京:華晟高科教學(xué)儀器有限公司[M].2006

[2]潘煉，方康玲等著.過程控制與集散系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2007

[3]李正軍.計算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[4]吳堅，趙英凱.計算機(jī)控制系統(tǒng)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2002

[5]白政民，王武，葛瑜.自動化專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教接慬J].北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(8):64-166

[6]楊佳，許強(qiáng)，雷紹蘭，郭燕.“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)及實(shí)驗(yàn)改革探討[M].北京:中國電力教育，2010，10:125-126