過程控制及儀表課程教學方式改革研究

楊海勇

摘 要：過程控制及儀表是自動化專業的一門重要的專業課，是一門控制理論和工程實踐相結合的課程。為了進一步提高課程的教學效果，提升學生的應用能力，該文對課程的教學方式和實踐教學方案進行一些改革探討。主要采用項目導向法，引導學生明確學習目標，圍繞一個具體的項目進行探究式的學習；將MATLAB仿真全面引入理論教學和實驗教學中，提高了教學質量。經過兩年的教學改革實踐檢驗，學生的學習熱情明顯提高，操作能力加強，取得了較好的改革效果。

關鍵詞：過程控制 教學方式 項目導向法 MATLAB仿真

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0158-01

過程控制是自動化專業的一個重要方向，其應用面向化工、建材、鋼鐵、火力發電、制藥等許多現代化工業部門[1]。通過生產過程的自動化控制，使工業生產符合工藝流程，將一些關鍵參數如溫度、流量、壓力、液位等穩定在工藝要求的給定值附近，從而保證產品的質量和產量，使工業生產安全穩定地運行在最佳工況下。

過程控制及儀表課程是自動化專業的重要專業課，課程內容較多，既要學習各種類型的過程控制系統，又要學習檢測儀表、控制儀表，還要熟悉必要的生產工藝和對象的動態特性。這些控制理論和技術讓學生感覺抽象，不容易深入理解。

為了使課程的理論教學變抽象為具體，使教學內容形象生動，使教學目標清晰明確，需要我們在教學方式方面進行必要的改革。經過近兩年的探索和實踐，特別是將MATLAB仿真全面引入課堂演示和實驗教學中，取得了明顯的效果，下面對具體的方法做些介紹。

1 教學方式的改革

1.1 項目導向法提高教學效果

以前理論課的教學基本是按教材目錄順序，分章節對各個知識點分別講授，大部分內容學完后，才會出現具體的工業應用的例子。這種按部就班的講授常常給學生帶來一些疑惑，學生們在前期大部分學習時間里，都不能清醒認識所學的理論知識能在哪里具體應用，由于學習目標不明確，學習動力也不足，反而認為理論抽象，不好理解。

采用項目導向法可以較好的解決上述學習目標不明確的問題。

項目導向法主要圍繞一個具體的項目進行教學，使學生帶著實際的任務進行探究式的學習，所學習的知識點組合應用起來，可以完成這個項目。因為學習目標明確，能極大的調動學生的學習積極性，自然就能提高學習效果。當然，具體的項目要選好，實現項目的相關知識點和主體教學內容大體符合。

經過對教學內容的權衡考查，決定選用鍋爐汽包水位的前饋—串級控制系統作為一個典型的工業項目，引導學生進行研究學習。因為這個項目需要用到的知識點正是教材中大部分章節的內容。要克服汽包水位動態特性中“虛假水位”的影響，實現水位的精準控制，需要比較多種常規控制方案的優劣，要分別學習單回路控制系統、串級控制系統、前饋—反饋復合控制系統，然后選定前饋—串級控制方案。后續工程應用技術還包括調節閥的選取，調節器的正、反作用的設定，調節器參數整定等重要知識點。這樣，通過一個具體項目就能將很多教學內容組織起來進行教學。

這就是項目導向法，先有項目應用，有任務，目標明確了再學習具體的知識點，經過比較研究，尋找解決項目問題的方案或方法。

在實施項目導向法的教學過程中，可以明顯感到學生們對實際工業項目是很感興趣的，也樂于探求控制技術和控制方案，因此在學習具體知識點時積極主動，效率很高。

1.2 將MATLAB仿真演示引入理論教學

本課程的教學內容中包括較多的理論和公式推導，按常規教學方法講解分析，花費時間較多，影響課堂效率。我們使用MATLAB軟件里的Simulink仿真工具，構造仿真模型，針對目標知識點進行仿真演示，形象直觀的仿真結果有助于學生的理解記憶。

例如講解PID控制規律時，僅僅講述公式和特點，學生并不容易真正理解，也就不能靈活運用。對于這種重要知識點，再增加一些仿真演示就能幫助學生加深理解。可以構造一個單回路控制系統的Simulink仿真模型，選用仿真軟件集成的標準PID控制模塊，適當修改PID參數，運行仿真來演示純比例控制作用時，會有余差存在；再加入適當的積分作用，可以消除余差。當然，還可以改變積分系數，讓學生注意觀察響應曲線振蕩幅度的大小，從而總結出積分作用的強弱對系統穩定性的影響。

這些仿真演示不僅提高了學生的學習興趣，加深了對知識點的理解記憶，更提供了一種仿真研究方法，有利于后續PID調節器參數整定方法的教學。

2 開發仿真實驗軟件，進行實驗教學的改革

過程控制及儀表是一門綜合性應用型的課程，對相應的實踐教學要給予充分的重視。

我校過程控制實驗室先后引進了4套THKGK-1過程控制實驗裝置，不僅能實現常規PID控制，還能實現單片機控制、計算機控制等多種控制方式。但這些實驗裝置價格昂貴，繼續大批量的購買并不現實，而參與實驗的學生人數眾多，為了增加學生實驗操作機會，考慮用MATLAB/Simulink開發過程控制實驗仿真軟件，這樣不增加實驗投入，使用已有機房就能開展實驗。由于計算機仿真技術能方便修改參數，并快速實現仿真，還能獲得比常規實驗裝置更好的實驗效果。

所開發的過程控制實驗仿真軟件包含6個子系統，每個子系統對應一個實驗項目，分別是單回路控制系統、串級控制系統、前饋控制系統、前饋—反饋復合控制系統、比值控制系統、大滯后系統。子系統內是控制系統對應的Simulink仿真模型，其中控制器的PID參數可以按需要修改，即主要訓練PID參數整定的方法，使學生掌握參數整定的步驟和方法，增加操作經驗。

將上述實驗仿真軟件投入教學運行后，每個學生都能參與實驗訓練，通過修改PID參數觀察相應的響應曲線，逐步提升控制質量。這些仿真訓練能積累豐富的經驗，再到實驗裝置平臺訓練時就感覺得心應手，整體實驗教學效果有了顯著的提高。

3 結語

以上是筆者在過程控制及儀表課程教學改革工作中的一些思考和探索。通過教學方式改革，讓學生明確學習目標，提高學習興趣，將MATLAB仿真全面融合于教學中，能起到事半功倍的效果。

參考文獻

[1] 邵裕森，戴先中.過程控制工程[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] 李國勇，程永強.計算機仿真技術與CAD[M].北京：電子工業出版，2012.endprint