過程裝備與控制工程專業教學探索與改革

陳 磊，任銀娥，張紅欣

(1.新疆大學 化工學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.昌吉學院 物理系，新疆 昌吉 831100)

高等院校學科發展與建設離不開多媒體教學，建立虛擬仿真實驗是現代化高等教育信息化建設的重要內容[1]，建設虛擬仿真實驗可將專業課程中基礎知識、重難知識點、實驗實操進行信息融合，打破理論和實踐間的壁壘，形成教學與實踐并行的教學效果[2-3]。

受2019-nCoV型新型冠狀病毒的影響，全國各大高校響應國家教育部“停課不停教、不停學”號召，借助多渠道互聯網媒介進行了多形式遠程授課。遠程授課過程中基礎知識點的講解可通過公式推演、案例講解、簡單動畫分析的形式進行，而涉及復雜控制理論、過程、系統等重難點，在正常教學過程中采用實驗課實操的形式鞏固相應知識點。而疫情期間受教學環境限制不能現場操作實驗設備，分析控制系統程序、觀察實驗過程變化，展示實驗結果。

國內高等院校將虛擬仿真與教學過程進行結合取得了很好的教學效果。天津大學范江洋等針對化工過程控制課程教師授課時采用組態虛擬控制儀表演示某生產線控制參數調節時各化工設備參數變化及設備物理性變化的范例將多維互動學習過程延伸至課堂之外，有效地提高了學生上課目標專注程度和課程興趣[4]。天津科技大學王紅星在教學過程中針對精餾塔的教學,運用圖形化編程軟件針對多乙苯精餾塔的控制進行了方案設計，并通過實時改變各變量參數的給定值使學生能主觀觀察到高壓塔設備蒸汽流量變化，各層塔壓變化規律[5]。福州大學史曉東等針對過程控制課程中引入可參數化改變煤進給量，動態演示了鍋爐點火過程中鍋爐內部溫度、壓力、能量轉化、氣體結構變化，將工業生產實際操作過程進行了如實反映[6]。

結合本校過程裝備與控制工程專業(簡稱“過控專業”)的培養方案和過程控制工程專業的教學大綱，開發的虛擬控制實驗，圖形設計采用北京亞控科技發展有限公司開發的標準組態王軟件，程序設計采用Matlab/Simulink工具箱完成程序控制參數的搭建，組態軟件與Simulink之間采用基于Windows應用的OPC(OLE for Process Control)通訊技術完成控制界面與算法之間的數據交互。虛擬仿真實驗在教學理念、教學方法、教學手段上形成教學改革，開放的仿真實驗開發過程在提高學生學習興趣、培養學生實踐動手能力與創新意識方面取得了較好的效果。

1 過程控制工程教學教學現狀分析

本校開設的過控專業立足化工過程工業領域，在校生培養總體框架以“化工過程機械”為主機，“過程原理”與“裝備控制技術”為兩翼的“一機兩翼”的格局。過程控制工程作為過控專業的專業必修課，是將學生所學專業基礎課進行系統性融合的課程。課程在掌握控制機理建模、自動控制理論、化工生產工藝、化工設備工作機理、流體動/靜力學等內容的基礎上完成分析和設計過程控制系統參數設定、調試、投放、優化等工作。

1.1 教材部分授課內容講解難度大

本校過控專業采用化學工業出版社出版，羅健旭、黎冰等主編的《過程控制工程(第4版)》，教程共有9章內容，前4章內容主要采用概念解讀、公式推演、機理建模分析完成課堂教學。而5-9章節的內容在介紹先進控制系統的基礎上結合化工背景設計了預測控制、解耦控制、時滯補償控制、智能控制等系統。課程上半學期教學過程中學生反饋能掌握教程內容，對涉及到復雜控制系統的章節明顯表現到知識點難懂、內容相對抽象、某些化工過程控制系統控制規模龐大、控制系統理解難度大、理論概念與實踐存在斷層。

1.2 實驗設備無法與理論知識深度結合

化工過程設備具有高溫、高壓、易爆、易燃、占地面積大、設備成本高昂等特點。在課程開實驗操作中常采用水代替流體介質完成控制系統的實驗操作，僅能演示流質流動過程、壓力設備內容參數、控制算法的控制機理，無法讓學生更深入地了解反應設備的真實應力變化、溫度變化、內部流質流動規律。致使現有實驗設備在實際操作中因只是教學型實驗，無法將研究型教學理念與課程理論知識深度結合，易造成學生理論知識與實踐操作脫節。

1.3 現有教學素材無法拔高學生理論深度

現代教育隨著信息化速度的加快也在不斷地補齊教學內容與工業發展之間的短板。過程控制工程現有教學素材是參考出版社提供的多媒體素材，該素材只能基本用于理論知識、基礎模型、簡單控制系統等內容的講解，而結合模糊控制系統、史密斯預測控制系統、神經網絡控制系統等化工生產工程案例的素材目前只能通過教材內容結合教師的知識儲備講授。使得學生在學習本課程時理解深度較為有限(控制系統機械設備結構與構成、過程機械工作原理、隨工業生產性能變化)，無法拓展學生的知識面和對復雜控制系統的視野。

2 虛擬仿真實驗內容簡介

虛擬仿真實驗界面、數據變化界面、功能界面等選項采用組態王進行設計，控制算法使用Matlab/Simulink工具箱編程，根據不同的實驗內容自動切換控制算法。實驗平臺功能上可分為：

2.1 基本概念描述模塊

①過程控制的術語與目標；②反饋控制系統的分類；③工業控制機理建模方法；④PID控制器各參數概述；⑤相對增益的概念；⑥史密斯預估補償控制原理；⑦間歇生產過程控制系統原理；⑧自適應控制系統簡介。

2.2 過程控制系統實驗模塊

①單容水箱水位自動控制實驗(臨界比值法、衰減曲線法、響應曲線法)；②雙容水箱水位自動控制實驗(單回路與串級控制對比、串級回路參數自設計)；③三容水箱水位自適應控制實驗(動態前饋控制系統、靜態前饋控制系統、前饋-反饋控制、前饋-串級控制)；④鍋爐水溫及液位自動控制實驗(灰色預測模糊控制系統、史密斯預估補償控制、神經網絡自適應控制系統)、MIMO受約束動態矩陣控制系統；⑤比值控制系統分析與設計(單閉環比值控制系統、雙閉環比值控制系統、變比值控制系統、神經網絡自適應調節系統)[7]。

2.3 過程參數監控模塊

①歷史數據查詢模塊；②實時數據查詢模塊；③實時曲線顯示模塊；④歷史曲線顯示模塊；⑤報表統計查詢模塊；⑥操作時間計時模塊。

2.4 過程控制系統設計模塊

自動調用KINGVIEW軟件和Matlab軟件，創造性提供了平臺學生可對感興趣的控制實驗進行自行設計與調試，調動了學生的科研積極性和創造性。

3 教學改革具體實踐過程

“過程控制工程”課程內容綜合了流體力學、工程熱力學、自動控制技術、機械原理與結構、儀表選型與應用等知識點，屬于典型的多學科交叉課程。經過課題組多年教學經驗總結與思考，通過注重基本理論的拓展、更改教學模式、強化實踐教學內容為出發點，采取理論內容課前預習、課上輕理論重過程系統、課后實操仿真實驗的教學結構，以此強化教學效果，鞏固教學內容中重難知識點。

3.1 理論知識與簡單過程系統重組

為夯實課程基礎知識，加強基本概念理解，對基礎建模過程公式推導采用黑板板書的方式進行。教師板書過程中學生有時間進行思考，加強學生對建模過程的理解程度強化，教師即興講解的授課效果，增強課堂教與學的互動性。基礎建模不局限于教程中提供的內容，同時篩選內容典型、基礎理論易懂、章節有銜接過渡的簡單過程系統與理論知識章節重組，加入行業背景、控制模型，著重講解控制方法、控制技術、控制策略，拓寬教學內容與實驗素材。例如對于攪拌器內部流體在葉輪旋轉作用下，流體運行速度、流速分布、壓強分布、流質分布等現象，采用計算流體力學(CFD)進行建模仿真分析攪拌器內流場分布規律，同時使用Fluent軟件輸出攪拌動態視頻，增加課程教學的生動性，有助于學生通過仿真實驗更直觀的將基礎理論與控制過程進行合理銜接。

3.2 開放虛擬仿真實驗制作過程

組態軟件(KINGVIEW)作為工業控制廣泛使用的軟件平臺，具有人機畫面友好、通訊設備兼容廣泛、系統集成效率高、控制性能穩定等諸多優點[8]。Matlab/Simulink 軟件具有豐富的函數接口和強大的數據處理功能，廣泛用于自動化控制仿真模擬領域。課題組在開展日常教學的同時召集對科學研究感興趣的不同年級學生組成興趣小組，通過前期基本的軟件功能培訓與指導，將用于課程教學的仿真實驗制作過程開源，由淺入深的調動學生的興趣，鼓勵學生設計控制系統，將穩定可靠的方案引入到課堂教學中，不斷豐富虛擬仿真實驗教學素材。

3.3 培養學生理論到創新的飛躍

在培養興趣小組學生開展簡單科研工作的同時，鼓勵小組成員將制作的控制系統(空調溫度自適應控制系統、混凝釜變速攪拌系統、多相流混合控制系統等)用于參加“大學生挑戰杯”“互聯網+”“創新創業大賽”“計算機程序設計大賽”等課外比賽中，參與各項比賽的過程不僅能提高學生自學能力，激發學生創新思維，培養學生將理論與工程實踐相結合的能力，而且能提高學生發現問題、思考問題、解決問題的能力，拓寬學生知識面，最終實現課程理論到科技創新質的飛躍。

4 教學改革總結

課題組在講授過程控制工程課程時采用制作的與各章節精密聯系的虛擬控制實驗的教學改革措施極大的激發了學生獨立思考、分析與解決問題的能力；開放式的實驗制作過程培養學生實踐創新能力，學生由“被灌輸” 式學習轉變為“饑渴型”式學習。

過程控制工程教程中的理論與工業生產控制結合緊密、內容廣且深、實踐性強,開發的虛擬仿真實驗將基礎理論知識與不同過程系統實現重組，改變以往先理論再控制系統的教學方式，將基本理論與控制系統進行交叉講解，夯實了學生基礎知識，并運用教學效果反饋完善實驗，最大化提高學生對授課內容的接納度。

在調動不同年級學生積極性的基礎上成立興趣小組，幫助熱愛科學研究和課外知識的學生拓寬知識結構和視野，幫助學生培養搜集資料、查閱文獻、嘗試解決科學問題的科研能力，鼓勵學生將小組的創新成果用于參加各類課外比賽活動，對過程控制工程課程教學過程進行改革與探索，不僅實現了理論知識與實踐操作的結合，更很大程度上提高了學生對過程控制工程的學習興趣。