獨立學院“過程控制”課程教學改革探索

于新業+易藝+竇文淼

【摘 要】本文針對獨立學院“過程控制”課程教學中存在的內容涉及范圍廣、工程實踐性強等問題，提出在“過程控制”課程教學中采用理論、實驗、實訓三合一的教學模式，并將Matlab/Simulink、PLC、單片機等相關知識穿插在“過程控制”課程的不同階段，使該課程的軟件與硬件、理論與實踐等知識有機地結合在一起，探索出有助于培養獨立學院自動化專業學生創新能力的教學方法。

【關鍵詞】獨立學院 過程控制課程 實踐教學 教學模式

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）03C-0066-02

過程控制是自動化專業極為重要的專業課程。由于該課程具有內容涉及面廣、緊跟學科發展的前沿、理論與實踐緊密結合等眾多特點，因此學生很難理解和掌握該課程的內容，做不到融會貫通。據調查，目前國內絕大多數高校開設過程控制課程的理論教學大部分采用多媒體課件進行授課。為了給學生獲得工程現場的感性認識，教師在授課的過程中，除了講授理論知識外，還展示了大量的工程現場圖片或視頻。課程的實驗通常采用兩種方法：第一，學生在購買或自主研發的過程控制實驗裝置上進行實驗。第二，學生利用Simulink 軟件，利用Simulink 建模和控制算法仿真對工業對象進行單純的控制算法仿真驗證。由于學生從學完課程的理論知識到進行實驗的時間一般很久，因此，對于第一種實驗方法，大部分學生往往會忘記很多理論知識，同時由于實驗課程時間有限，很多同學難以完成實驗，更談不上將理論知識運用到實踐中去，做到學以致用。而對于第二種實驗方法，由于學生采用仿真軟件進行實驗，沒有硬件的支撐，因此學生很難有工程環境的概念。針對過程控制課程教學存在的問題，本文從獨立學院培養學生的應用能力和工程實踐能力這一目標出發，對該課程進行了教學改革探索。

一、教學模式設計

桂林電子科技大學信息科技學院自動化專業過程控制實驗室具有兩套由杭州云創儀器設備有限公司提供的YCGK-1型過程控制綜合實驗裝置和41臺計算機。實驗裝置由如圖1所示的實驗控制對象、實驗控制平臺（PLC、采集卡、DDC控制模塊）以及上位監控PC機共三部分組成。該實驗裝置將自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術以及現場總線技術集為一體，可實現溫度、壓力、流量、液位等熱工參數的控制，系統參數辨識，單回路控制，串級控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制方式。實驗裝置可以連接局域網，并通過局域網中的計算機實現對各種控制方式的選擇。教學模式從理論、實驗和實訓共三個方面進行設計，教學內容根據工程應用的實際情況和學生的接受能力進行安排，使它們成為一個有機的教學整體。教學模式具體設計和做法如下：

過程控制課程的研究內容、分類、發展、任務、工程表示及指標等內容安排在理論課堂上完成，課堂上將要講授的內容通過文字、圖片和視頻等多媒體方式展示給學生，使要講授的理論知識點盡可能的容易理解，做到通俗易懂。

對象數學模型的建立是生產過程實現良好控制必不可少的條件，因此，對象數學模型的建立內容是過程控制課程教學的重點之一，除了理論知識的教學外，該部分內容還應加強實驗教學內容的設計，采用Matlab/Simulink軟件對過程對象進行建模與分析計算。

單回路控制系統（簡單控制系統）是所有控制系統的基礎，其他的控制系統多數以單回路控制系統為基礎實現，而且該部分內容涵蓋了單回路控制系統各組成部分的模型（傳遞函數）分析、各部分相關參數對系統的影響、執行器的選擇、控制器的選擇、控制規律的選擇、控制參數的整定等多方面內容。因此，該部分內容既是課程教學的重點也是難點，在增加理論知識課時量的同時，更應注重該部分內容的工程實踐應用，增加學生親自動手操作的機會，加強該部分實驗教學內容的設計，實驗教學采用DDC控制系統。

串級控制、比值控制、前饋控制、選擇控制和其他控制系統的教學，采用在理論課堂上將其基本原理介紹清楚（單回路控制系統的延伸），對其中較為典型的串級控制系統的實驗內容進行了設計，并加強了實驗環節。

實驗環節的課時數安排了16學時，4個實驗，每個實驗4學時，并進行了開放性實驗，以加強學生對理論知識的理解，做到學以致用。由于實驗室只有2臺過程控制實驗設備，不能讓每個學生同時進行操作，因此只能讓學生分時操作實驗設備，沒有輪到使用到實驗設備的學生進行實驗項目相關的仿真任務練習。實驗內容的設計分為4個實驗，分別為：（1）過程對象的建模實驗；（2）實驗設備認識及儀表特性實驗；（3）單回路控制系統設計與參數整定；（4）串級控制系統設計與參數整定。

在進行實驗設備采購時，要求廠家將所有傳感器與執行器的信號接口留出。為了進一步提高學生的實踐動手能力，利用實驗室有限的實驗設備，設計了該課程的實訓。實訓題目設計有：（1）單容水箱液位控制系統；（2）鍋爐內膽溫度控制系統。要求學生使用實驗設備的傳感器與執行器接口，自行設計控制回路（不使用實驗控制平臺上的PLC、采集卡和DDC控制模塊），可以使用單片機、PLC和模擬/數字電路實現。

過程控制課程中使用到的網絡知識內容安排在桂林電子科技大學信息科技學院自動化專業的“工業通信網與控制技術”課程中進行講授，實驗中進行了以太網和RS485的使用和操作。

過程控制課程的教學模式采用理論、實驗和實訓緊密結合，理論課將相關內容講授完畢，立即安排進行實驗，并根據學生的學習情況設計3種難度（難、中、易）的實訓題目供學生選擇，待理論課和實驗課結束后，讓學生進行實訓，最后將實訓作品與實際對象對接聯調，完成整個課程的教學，形成總結報告。

二、教學實施

過程控制課程的教學實施主要是把理論、實驗和實訓進行有機地結合，使學生能把理論課堂的知識迅速地通過實踐環節進行驗證而加強理解，并做到學以致用，不斷提高自身的工程應用能力。教學實施過程如下：

首先，在理論課程中講授對象建模內容后，便進行對應的實驗。由于學生對實驗設備并不熟悉，第一次實驗中需要將用到的實驗管道工藝流程圖和各個部件進行講細說明。設計的實驗內容是以單容水箱液位為對象進行控制對象的建模，該部分內容用到的對象是圖1中的3個水箱之一，以水箱3為例，需要打開V6（手動排水閥）、1V3閥門（手動進水閥），用到的傳感器是液位3，執行器為電動閥DDF和增壓泵。實驗要求學生2人一組操作，將1V3閥門全開，V6閥門開度為實驗學生分組號的函數（V6不同的開度得到不同的對象模型，避免學生抄襲數據），施加階躍信號（電動閥開度控制）便可得到水箱3液位變化數據及曲線，根據所得的數據及曲線便可求取單容水箱液位的傳遞函數。實驗裝置只有兩套，同一時刻進行實驗操作的學生只有4人，其他的同學如果沒有安排任務將會閑著浪費時間，因此必須安排其他相應的實驗任務：（1）將水箱尺寸數據和閥的流量關系提供給學生，讓學生根據物理參數進行機理法建立水箱的數學模型；（2）已經測得數據的學生根據所測得數據求出水箱的數學模型，并與機理法求得的數學模型進行比較。

單回路控制系統部分的理論講主要分兩大部分：系統分析和系統設計。在系統分析部分設置實驗設備認識及儀表特性實驗，讓學生進一步認識實驗裝置的管路特點，并對測量變送器與執行器的特性進行測試，即得到傳感器和執行器的數學模型，該部分實驗中同樣設置相關的仿真練習，如標度變換、獲取的裝置數據分析等。在系統設計部分設置單回路控制系統設計與參數整定實驗，根據要求與裝置中儀表的特性設計單回路控制系統（如單容水箱液位控制系統），并進行控制參數的整定。沒有操作實驗裝置的同學，則進行給定系統的參數整定仿真練習和對已經操作的實驗數據進行分析總結。在這個階段，給學生設置實訓的任務要求，要求學生廣泛查閱資料，進行實訓題目的選擇，并進行初步設計。

最后一部分和實踐相關的內容選取了串級控制系統，該部分的教學設計與單回路控制系統類似。同時補充實訓題目及要求。

整個課程教學過程中，實驗室資源對學生開放，在理論課程結束后，給學生兩周的時間完成實訓的軟件和硬件設計，并進行參數整定，最后完成實訓的驗收和答辯工作。

三、結論

過程控制課程是集理論性與工程實踐性為一體的課程，將理論、實驗和實訓等各個環節有機結合可以達到良好的教學效果，同時讓學生將仿真與單片機和PLC等系統軟硬件設計結合到一起，達到知識綜合應用的目的，該教學模式在自動化專業學生中進行了教學改革試點，獲得了良好的教學效果。學生對過程控制課程中的過程控制對象、測量變送裝置、執行機構和調節器等環節有了深刻的認識，基本能夠勝任常規過程控制系統的設計、調試、維護等工作。

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【基金項目】2015年廣西高等教育本科教學改革工程立項項目“自動化儀表與過程控制課程教學改革研究”（2015JGA415）

【作者簡介】于新業（1979— ），男，山東平度人，碩士，桂林電子科技大學信息科技學院講師，工程師；易 藝（1983— ），男，廣西防城人，碩士，桂林電子科技大學信息科技學院高級實驗師；竇文淼（1984— ），女，天津寶坻人，碩士，桂林電子科技大學信息科技學院助理實驗師。

（責編 王 一）