“過(guò)程控制儀表及裝置”課程綜合仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)

王茜 李爍

[摘 要] 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，如何突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸，結(jié)合課程特點(diǎn)探索出高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有重要意義。針對(duì)“過(guò)程控制儀表及裝置”的課程內(nèi)容及課程特點(diǎn)，在控制儀表及裝置的實(shí)驗(yàn)中增加了基于Matlab的控制系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)方法上采用混合式教學(xué)方法，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及混合式教學(xué)方法加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力及自主學(xué)習(xí)能力。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)驗(yàn)教學(xué);控制系統(tǒng);混合式教學(xué);綜合仿真實(shí)驗(yàn)

[基金項(xiàng)目] 2020年度杭州電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目“注重學(xué)生能力培養(yǎng)及提升的‘過(guò)程控制儀表及裝置課程教學(xué)研究與實(shí)踐”（YBJG202083）;2016年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“執(zhí)行器飽和系統(tǒng)的新型增益調(diào)度控制理論研究及其應(yīng)用”（61503105）;2020年度杭州電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目“基于‘翻轉(zhuǎn)課堂的‘工程復(fù)變函數(shù)與積分變換教學(xué)改革與實(shí)踐”（YBJG202078）

[作者簡(jiǎn)介] 王 茜（1985—），女，吉林長(zhǎng)春人，博士（后），杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副教授（通信作者），主要從事控制理論及教學(xué)研究;李 爍（1991—），女，江西撫州人，博士，杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事控制理論及教學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G642 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）29-0129-04 ? ?[收稿日期] 2021-02-07

2015年10月國(guó)務(wù)院印發(fā)了《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案的通知》，通知中指出，培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。堅(jiān)持立德樹人，突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會(huì)責(zé)任心，富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才。加強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，大力推進(jìn)個(gè)性化培養(yǎng)，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)、國(guó)際視野、科學(xué)精神和創(chuàng)業(yè)意識(shí)、創(chuàng)造能力。……完善質(zhì)量保障體系，將學(xué)生成長(zhǎng)成才作為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，建立導(dǎo)向正確、科學(xué)有效、簡(jiǎn)明清晰的評(píng)價(jià)體系，激勵(lì)學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)、健康成長(zhǎng)。人才培養(yǎng)是高校的根本使命，也是社會(huì)發(fā)展的內(nèi)在要求。高校作為人才培養(yǎng)基地，承擔(dān)著知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、思想價(jià)值觀的樹立等重要使命，同時(shí)也是踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀的主陣地。習(xí)近平總書記指出“教育興則國(guó)家興，教育強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng)。高等教育是一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ闹匾獦?biāo)志。今天，黨和國(guó)家事業(yè)發(fā)展對(duì)高等教育的需要，對(duì)科學(xué)知識(shí)和優(yōu)秀人才的需要，比以往任何時(shí)候都更為迫切。”隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、區(qū)域鏈、腦科學(xué)等新理論技術(shù)發(fā)展的大環(huán)境下，高校人才培養(yǎng)模式也要與時(shí)俱進(jìn)，做出新的調(diào)整，構(gòu)建人才培養(yǎng)新模式。高校人才培養(yǎng)模式的改革勢(shì)在必行，迫在眉睫。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的重要組成部分，是理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，如何突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸，結(jié)合課程特點(diǎn)探索出高質(zhì)量的教學(xué)方法具有重要意義。

“過(guò)程控制儀表及裝置”是自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課，面向筆者所在院校自動(dòng)化專業(yè)三年級(jí)學(xué)生講授，是一門偏技術(shù)應(yīng)用的課程。本課程系統(tǒng)簡(jiǎn)明地闡述過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表的概念體系、典型的過(guò)程檢測(cè)和控制儀表的工作原理和工作性能、常規(guī)控制方案的確定和分析等。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生了解和掌握典型的過(guò)程檢測(cè)和控制儀表的工作原理和工作性能，并能根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)和控制要求，選用適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化儀表或計(jì)算機(jī)，組成實(shí)用型過(guò)程控制系統(tǒng)，并使學(xué)生初步掌握系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的思想和方法。先修課程為電路原理、自動(dòng)控制原理、高等數(shù)學(xué)。本課程實(shí)驗(yàn)主要包括自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)執(zhí)行器實(shí)驗(yàn)、差壓變送器實(shí)驗(yàn)/流量計(jì)實(shí)驗(yàn)、上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)等四個(gè)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)存在的主要問(wèn)題是：（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)于時(shí)間、地點(diǎn)、儀器設(shè)備的依賴性較強(qiáng)，學(xué)生需要在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)在規(guī)定的設(shè)備上按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟完成實(shí)驗(yàn);（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程一般由預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、完成實(shí)驗(yàn)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等三個(gè)環(huán)節(jié)，大多數(shù)學(xué)生是按部就班地根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的步驟完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的被動(dòng)性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面存在的主要問(wèn)題是以教師教授為主，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)。這種教授方式以教師為主導(dǎo)，教師就實(shí)驗(yàn)中存在的共性問(wèn)題進(jìn)行講解。以教授為主的教學(xué)方式很容易變成“滿堂灌”“填鴨式”的課堂，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低。通過(guò)課堂調(diào)查，大部分學(xué)生對(duì)于如何利用所需知識(shí)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并給出仿真驗(yàn)證是沒有明確思路的。但是，學(xué)生不想停留在只會(huì)做題，希望能利用所需的專業(yè)知識(shí)具體去設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并給出控制系統(tǒng)的性能分析。針對(duì)以上問(wèn)題教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，需在原實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加基于MATLAB的控制系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)方法上采用混合式教學(xué)方法。基于MATLAB的仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備的限制，并且運(yùn)用混合式教學(xué)方法，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)，通過(guò)查閱資料，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力及自主學(xué)習(xí)能力。

一、基于MATLAB的綜合仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)會(huì)應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)常規(guī)單閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：一臺(tái)裝有MATLAB軟件的計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：針對(duì)給定的系統(tǒng)G（s）=■，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器和帶狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。（1）應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，畫出系統(tǒng)的狀態(tài)曲線圖及控制輸入曲線圖。并根據(jù)得到的仿真結(jié)果，對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。（2）當(dāng)控制輸入有界的情況下，應(yīng)如何調(diào)整控制方案。該部分內(nèi)容，以小組為單位，通過(guò)課下調(diào)研及分析，給出控制方案或解決辦法。實(shí)驗(yàn)原理：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)一般由被控對(duì)象、執(zhí)行器、控制器、檢測(cè)變送器等四個(gè)環(huán)節(jié)組成，如下圖所示。

控制規(guī)律是指控制器的輸出信號(hào)與輸入偏差信號(hào)之間的關(guān)系。