過(guò)程控制及儀表課程教學(xué)方式改革研究

楊海勇

摘 要：過(guò)程控制及儀表是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，是一門(mén)控制理論和工程實(shí)踐相結(jié)合的課程。為了進(jìn)一步提高課程的教學(xué)效果，提升學(xué)生的應(yīng)用能力，該文對(duì)課程的教學(xué)方式和實(shí)踐教學(xué)方案進(jìn)行一些改革探討。主要采用項(xiàng)目導(dǎo)向法，引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，圍繞一個(gè)具體的項(xiàng)目進(jìn)行探究式的學(xué)習(xí)；將MATLAB仿真全面引入理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高了教學(xué)質(zhì)量。經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)改革實(shí)踐檢驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情明顯提高，操作能力加強(qiáng)，取得了較好的改革效果。

關(guān)鍵詞：過(guò)程控制 教學(xué)方式 項(xiàng)目導(dǎo)向法 MATLAB仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0158-01

過(guò)程控制是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一個(gè)重要方向，其應(yīng)用面向化工、建材、鋼鐵、火力發(fā)電、制藥等許多現(xiàn)代化工業(yè)部門(mén)[1]。通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制，使工業(yè)生產(chǎn)符合工藝流程，將一些關(guān)鍵參數(shù)如溫度、流量、壓力、液位等穩(wěn)定在工藝要求的給定值附近，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，使工業(yè)生產(chǎn)安全穩(wěn)定地運(yùn)行在最佳工況下。

過(guò)程控制及儀表課程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課，課程內(nèi)容較多，既要學(xué)習(xí)各種類(lèi)型的過(guò)程控制系統(tǒng)，又要學(xué)習(xí)檢測(cè)儀表、控制儀表，還要熟悉必要的生產(chǎn)工藝和對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。這些控制理論和技術(shù)讓學(xué)生感覺(jué)抽象，不容易深入理解。

為了使課程的理論教學(xué)變抽象為具體，使教學(xué)內(nèi)容形象生動(dòng)，使教學(xué)目標(biāo)清晰明確，需要我們?cè)诮虒W(xué)方式方面進(jìn)行必要的改革。經(jīng)過(guò)近兩年的探索和實(shí)踐，特別是將MATLAB仿真全面引入課堂演示和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了明顯的效果，下面對(duì)具體的方法做些介紹。

1 教學(xué)方式的改革

1.1 項(xiàng)目導(dǎo)向法提高教學(xué)效果

以前理論課的教學(xué)基本是按教材目錄順序，分章節(jié)對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)分別講授，大部分內(nèi)容學(xué)完后，才會(huì)出現(xiàn)具體的工業(yè)應(yīng)用的例子。這種按部就班的講授常常給學(xué)生帶來(lái)一些疑惑，學(xué)生們?cè)谇捌诖蟛糠謱W(xué)習(xí)時(shí)間里，都不能清醒認(rèn)識(shí)所學(xué)的理論知識(shí)能在哪里具體應(yīng)用，由于學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，學(xué)習(xí)動(dòng)力也不足，反而認(rèn)為理論抽象，不好理解。

采用項(xiàng)目導(dǎo)向法可以較好的解決上述學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確的問(wèn)題。

項(xiàng)目導(dǎo)向法主要圍繞一個(gè)具體的項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生帶著實(shí)際的任務(wù)進(jìn)行探究式的學(xué)習(xí)，所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)組合應(yīng)用起來(lái)，可以完成這個(gè)項(xiàng)目。因?yàn)閷W(xué)習(xí)目標(biāo)明確，能極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，自然就能提高學(xué)習(xí)效果。當(dāng)然，具體的項(xiàng)目要選好，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和主體教學(xué)內(nèi)容大體符合。

經(jīng)過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的權(quán)衡考查，決定選用鍋爐汽包水位的前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)作為一個(gè)典型的工業(yè)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究學(xué)習(xí)。因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目需要用到的知識(shí)點(diǎn)正是教材中大部分章節(jié)的內(nèi)容。要克服汽包水位動(dòng)態(tài)特性中“虛假水位”的影響，實(shí)現(xiàn)水位的精準(zhǔn)控制，需要比較多種常規(guī)控制方案的優(yōu)劣，要分別學(xué)習(xí)單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，然后選定前饋—串級(jí)控制方案。后續(xù)工程應(yīng)用技術(shù)還包括調(diào)節(jié)閥的選取，調(diào)節(jié)器的正、反作用的設(shè)定，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定等重要知識(shí)點(diǎn)。這樣，通過(guò)一個(gè)具體項(xiàng)目就能將很多教學(xué)內(nèi)容組織起來(lái)進(jìn)行教學(xué)。

這就是項(xiàng)目導(dǎo)向法，先有項(xiàng)目應(yīng)用，有任務(wù)，目標(biāo)明確了再學(xué)習(xí)具體的知識(shí)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)比較研究，尋找解決項(xiàng)目問(wèn)題的方案或方法。

在實(shí)施項(xiàng)目導(dǎo)向法的教學(xué)過(guò)程中，可以明顯感到學(xué)生們對(duì)實(shí)際工業(yè)項(xiàng)目是很感興趣的，也樂(lè)于探求控制技術(shù)和控制方案，因此在學(xué)習(xí)具體知識(shí)點(diǎn)時(shí)積極主動(dòng)，效率很高。

1.2 將MATLAB仿真演示引入理論教學(xué)

本課程的教學(xué)內(nèi)容中包括較多的理論和公式推導(dǎo)，按常規(guī)教學(xué)方法講解分析，花費(fèi)時(shí)間較多，影響課堂效率。我們使用MATLAB軟件里的Simulink仿真工具，構(gòu)造仿真模型，針對(duì)目標(biāo)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真演示，形象直觀的仿真結(jié)果有助于學(xué)生的理解記憶。

例如講解PID控制規(guī)律時(shí)，僅僅講述公式和特點(diǎn)，學(xué)生并不容易真正理解，也就不能靈活運(yùn)用。對(duì)于這種重要知識(shí)點(diǎn)，再增加一些仿真演示就能幫助學(xué)生加深理解?？梢詷?gòu)造一個(gè)單回路控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型，選用仿真軟件集成的標(biāo)準(zhǔn)PID控制模塊，適當(dāng)修改PID參數(shù)，運(yùn)行仿真來(lái)演示純比例控制作用時(shí)，會(huì)有余差存在；再加入適當(dāng)?shù)姆e分作用，可以消除余差。當(dāng)然，還可以改變積分系數(shù)，讓學(xué)生注意觀察響應(yīng)曲線振蕩幅度的大小，從而總結(jié)出積分作用的強(qiáng)弱對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

這些仿真演示不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解記憶，更提供了一種仿真研究方法，有利于后續(xù)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法的教學(xué)。

2 開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)軟件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

過(guò)程控制及儀表是一門(mén)綜合性應(yīng)用型的課程，對(duì)相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)要給予充分的重視。

我校過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室先后引進(jìn)了4套THKGK-1過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，不僅能實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID控制，還能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制、計(jì)算機(jī)控制等多種控制方式。但這些實(shí)驗(yàn)裝置價(jià)格昂貴，繼續(xù)大批量的購(gòu)買(mǎi)并不現(xiàn)實(shí)，而參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)眾多，為了增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)，考慮用MATLAB/Simulink開(kāi)發(fā)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)仿真軟件，這樣不增加實(shí)驗(yàn)投入，使用已有機(jī)房就能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。由于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能方便修改參數(shù)，并快速實(shí)現(xiàn)仿真，還能獲得比常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置更好的實(shí)驗(yàn)效果。

所開(kāi)發(fā)的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)仿真軟件包含6個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別是單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)。子系統(tǒng)內(nèi)是控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的Simulink仿真模型，其中控制器的PID參數(shù)可以按需要修改，即主要訓(xùn)練PID參數(shù)整定的方法，使學(xué)生掌握參數(shù)整定的步驟和方法，增加操作經(jīng)驗(yàn)。

將上述實(shí)驗(yàn)仿真軟件投入教學(xué)運(yùn)行后，每個(gè)學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，通過(guò)修改PID參數(shù)觀察相應(yīng)的響應(yīng)曲線，逐步提升控制質(zhì)量。這些仿真訓(xùn)練能積累豐富的經(jīng)驗(yàn)，再到實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)訓(xùn)練時(shí)就感覺(jué)得心應(yīng)手，整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有了顯著的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

以上是筆者在過(guò)程控制及儀表課程教學(xué)改革工作中的一些思考和探索。通過(guò)教學(xué)方式改革，讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高學(xué)習(xí)興趣，將MATLAB仿真全面融合于教學(xué)中，能起到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵裕森，戴先中.過(guò)程控制工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 李國(guó)勇，程永強(qiáng).計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD[M].北京：電子工業(yè)出版，2012.endprint