“過(guò)程控制系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

楊馬英，李 敏，陳偉鋒

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310023)

“過(guò)程控制系統(tǒng)”是自動(dòng)化專業(yè)的一門理論與應(yīng)用聯(lián)系密切的專業(yè)課程。本課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的效果對(duì)畢業(yè)生的專業(yè)意識(shí)與能力培養(yǎng)的重要性是不言而喻的。在課程實(shí)踐教學(xué)中，山東大學(xué)設(shè)計(jì)了綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[1]，浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)在典型對(duì)象實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合了自主設(shè)計(jì)與綜合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[2，3]，江南大學(xué)提出了課內(nèi)外多形式的多層次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]，從多個(gè)方面提高了課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。值得注意的是，由于專業(yè)培養(yǎng)方案中課程體系結(jié)構(gòu)的差異，學(xué)生專業(yè)背景和就業(yè)方向的差異，以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件的差異，該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革需更多地結(jié)合學(xué)校自身特點(diǎn)進(jìn)行。過(guò)去的幾年中，我們著力在激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)參與意識(shí)與團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)、提升工程實(shí)踐能力等方面進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革嘗試，收到了很好的效果。

1 課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

“過(guò)程控制系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)，作為自動(dòng)化專業(yè)課程體系的有機(jī)組成部分，和其他教學(xué)環(huán)節(jié)一起，共同擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)專業(yè)人才的重要任務(wù)。一般而言，學(xué)生完成專業(yè)學(xué)習(xí)后必須掌握的知識(shí)和具備的技能包括以下幾方面:①專業(yè)知識(shí)和技能;② 個(gè)人素質(zhì)和能力;③人際能力;④ 工程項(xiàng)目(系統(tǒng))建造能力。而對(duì)“過(guò)程控制系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)這一教學(xué)環(huán)節(jié)而言，突出能力與素質(zhì)培養(yǎng)的功能尤為重要，我們以一系列具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，培養(yǎng)學(xué)生與過(guò)程控制相關(guān)的基本專業(yè)技能，我們希望達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)是:理論聯(lián)系實(shí)際、提高分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，具備嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)與團(tuán)隊(duì)合作精神，良好的學(xué)習(xí)與溝通能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革需依托現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行。我校的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是多套兩路流量可調(diào)的循環(huán)水系統(tǒng)，包括液位、流量、溫度參數(shù)的檢測(cè)和控制。實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝有工業(yè)界流行的自動(dòng)化儀表，可實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制、基于可編程控制器(PLC)的控制或基于工控機(jī)的控制。因此，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)具有一定的靈活性。

我們學(xué)院有實(shí)驗(yàn)室開放機(jī)制，學(xué)生可預(yù)約非課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，這也為有的學(xué)生課后加做感興趣的實(shí)驗(yàn)開了綠燈。

我們對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則是:在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)這一門課程的核心內(nèi)容的理解;從應(yīng)用需求出發(fā)，掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的基本技能方法;借助典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使絕大多數(shù)學(xué)生在訓(xùn)練動(dòng)手能力，提升專業(yè)素養(yǎng)方面受益。

2.1 跟課實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容

跟課實(shí)驗(yàn)共有8學(xué)時(shí)，我們安排了系統(tǒng)認(rèn)識(shí)(對(duì)象及檢測(cè)儀表與控制儀表;組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)操作)、對(duì)象特性測(cè)試、單回路系統(tǒng)PID參數(shù)整定及控制、串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定這幾個(gè)必做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，一般采用水箱液位作為被控參數(shù)，但學(xué)生也可選擇流量和溫度參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?？刂破骺蛇x擇數(shù)字調(diào)節(jié)器，如果學(xué)生感興趣的話，教師鼓勵(lì)其實(shí)現(xiàn)基于PLC或工控機(jī)的控制。這樣，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排就具有了一定的操作彈性和可拓展性，能兼顧到不同學(xué)生的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)，達(dá)成基本教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)也能使基礎(chǔ)較好的學(xué)生得到更多更深入的實(shí)踐鍛煉機(jī)會(huì)。避免在實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)有的學(xué)生不滿足、有的學(xué)生做不完的尷尬情況出現(xiàn)。

2.2 課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容

除了跟課實(shí)驗(yàn)，我校的“過(guò)程控制系統(tǒng)”課后另有1.5周的課程設(shè)計(jì)。我們對(duì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行了精心編排。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的，給出設(shè)計(jì)任務(wù)，通過(guò)教師的輔導(dǎo)和小組成員的討論，讓學(xué)生一步步在做中學(xué)，在完成設(shè)計(jì)任務(wù)的同時(shí)收獲成就感，提升專業(yè)學(xué)習(xí)興趣與自信心[5]。

具體地，我們針對(duì)實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水系統(tǒng)這一被控對(duì)象，采用西門子S7-200 PLC設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)(至少包含一個(gè)回路)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范完成管道儀表流程圖等典型圖表的繪制，編寫控制程序，并利用昆侖通泰MCGS組態(tài)軟件完成監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到要求的控制效果。最終編寫完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

通過(guò)這一課程設(shè)計(jì)，意在鍛煉學(xué)生幾方面的能力:①綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力;②工程繪圖和程序開發(fā)與調(diào)試的能力;③編寫技術(shù)報(bào)告和技術(shù)資料的能力。

實(shí)驗(yàn)所用可編程控制器和組態(tài)軟件是主流工業(yè)化產(chǎn)品，使專業(yè)技能的培養(yǎng)與社會(huì)需求接軌。

實(shí)驗(yàn)分組是2人一組，除了各自獨(dú)立設(shè)計(jì)控制方案，在方案實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，其中一人負(fù)責(zé)PLC的控制編程，另一人負(fù)責(zé)運(yùn)用組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖有分工，但設(shè)備驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)通信等功能的實(shí)現(xiàn)需要小組成員的學(xué)習(xí)討論與密切配合。這樣的安排是我們有意為之的。事實(shí)證明，一人一組的實(shí)驗(yàn)安排并不是最佳的，尤其對(duì)綜合性的實(shí)驗(yàn)而言。學(xué)生實(shí)驗(yàn)后也普遍反映，這一分工安排對(duì)鍛煉團(tuán)隊(duì)溝通與合作能力效果明顯。

雖然各組實(shí)驗(yàn)調(diào)試用的是同樣的設(shè)備，但在布置設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，教師會(huì)給不同的小組規(guī)定一些諸如被控變量、采樣周期、控制規(guī)律、監(jiān)控界面風(fēng)格等方面的不同要求，這樣要求的結(jié)果是，沒(méi)有兩個(gè)小組的設(shè)計(jì)任務(wù)是完全相同的。這樣的個(gè)性化設(shè)計(jì)任務(wù)也杜絕了一些學(xué)生可能會(huì)有的偷懶拷貝的想法，保證了課程設(shè)計(jì)的整體教學(xué)效果[6]。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式方法

如何利用有限的教學(xué)時(shí)間和資源高效率地實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)?如何保證大多數(shù)學(xué)生受益以達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)?教學(xué)過(guò)程中以學(xué)生為中心、注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的調(diào)動(dòng)是關(guān)鍵[7]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式較多的是由教師講解與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，布置學(xué)生在固定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證，甚至給出完整詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作步驟，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式以教師為中心，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生被動(dòng)地按照實(shí)驗(yàn)要求和操作步驟進(jìn)行。學(xué)生可能沒(méi)有理解實(shí)驗(yàn)的完整結(jié)構(gòu)和原理，實(shí)驗(yàn)就變成了連線和復(fù)制程序;導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課形式化，達(dá)不到增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式調(diào)整從實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的改編開始。在跟課實(shí)驗(yàn)中對(duì)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容和步驟的介紹由詳?shù)铰?，?shí)驗(yàn)步驟不再事無(wú)巨細(xì)，給出學(xué)生自主思考空間;配合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后面的思考題，激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)問(wèn)題的主動(dòng)思考，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

教師在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，更多地通過(guò)互動(dòng)交流，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)物裝置的對(duì)象特點(diǎn)、儀表配置與操作臺(tái)布局、控制系統(tǒng)如何組成、實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題以及如何提高控制性能等方面問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與性。有的問(wèn)題教師不給出固定的答案，讓學(xué)生自己在實(shí)踐中分析。讓學(xué)生明白，做實(shí)驗(yàn)重在參與，重在學(xué)會(huì)分析，重在實(shí)驗(yàn)過(guò)程有收獲，至于實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何那是次要的。

例如，在過(guò)程控制系統(tǒng)的課堂理論教學(xué)時(shí)，我們已布置學(xué)生通過(guò)Matlab仿真的手段對(duì)控制系統(tǒng)模型的響應(yīng)、控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響等問(wèn)題進(jìn)行了分析。但在跟課實(shí)驗(yàn)中，PID參數(shù)的整定仍是主題之一。遇到學(xué)生在實(shí)驗(yàn)分析，尤其是串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)中閉環(huán)響應(yīng)曲線性能不佳時(shí)，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在確保安全的前提下積極思考，大膽嘗試，進(jìn)一步加深關(guān)于PID參數(shù)作用的理解。

我們指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)時(shí)，雖然仍然提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，但指導(dǎo)書給出的僅是設(shè)計(jì)意義、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求、實(shí)驗(yàn)裝置介紹、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與規(guī)范、PLC編程與MCGS組態(tài)概論等內(nèi)容。至于組態(tài)軟件和PLC的詳細(xì)了解需借助“MCGS用戶指南”和“S7-200系統(tǒng)手冊(cè)”這樣的原始參考資料獲得。教師在講解時(shí)也告知學(xué)生，學(xué)會(huì)帶著設(shè)計(jì)任務(wù)查找資料、在做的過(guò)程中學(xué)到知識(shí)是這一課程設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)。由于沒(méi)有了具體的操作步驟，有的學(xué)生一開始不太適應(yīng)，甚至無(wú)從下手。教師在設(shè)計(jì)過(guò)程中更加注意關(guān)注各組工作進(jìn)程，了解他們遇到的問(wèn)題和困惑，并根據(jù)需要給予指點(diǎn)和引導(dǎo)。這樣既保護(hù)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又保證了設(shè)計(jì)任務(wù)的順利完成。

經(jīng)過(guò)幾屆課程設(shè)計(jì)，學(xué)生普遍反映這樣的教學(xué)方式對(duì)于提高資料查閱能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力和提升專業(yè)學(xué)習(xí)興趣效果明顯。許多學(xué)生在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中又針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)了基于OPC的預(yù)測(cè)控制和解耦控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，并取得優(yōu)秀的成績(jī)。也有學(xué)生參加全國(guó)西門子杯工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽，并取得了設(shè)計(jì)開發(fā)組全國(guó)總決賽的二等獎(jiǎng)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是評(píng)定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的重要依據(jù)。我們?cè)趯?duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作要求上，不希望學(xué)生大段摘取實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容等指導(dǎo)書已有內(nèi)容，更多地強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析的要求，督促學(xué)生對(duì)重點(diǎn)問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考分析，提高了學(xué)生歸納、整理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和撰寫報(bào)告的能力。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)不只是取決于實(shí)驗(yàn)報(bào)告，我們?cè)诿拷M學(xué)生完成各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)都會(huì)進(jìn)行驗(yàn)收并計(jì)入成績(jī)。驗(yàn)收時(shí)檢查學(xué)生是否已達(dá)到規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求，并通過(guò)即興提問(wèn)了解學(xué)生對(duì)原理的理解，實(shí)驗(yàn)過(guò)程遇到的問(wèn)題及實(shí)驗(yàn)收獲。會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，能解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，比一路順利得到漂亮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加重要。這樣的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式也引導(dǎo)學(xué)生更加關(guān)注于對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的思考。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)更能反映工程教育的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教改受到眾多因素制約、難以取得明顯的實(shí)際效果。本文是我們對(duì)“過(guò)程控制系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一些探索。我們從學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升中受到鼓舞，也期待在與同行的交流中進(jìn)一步完善教改措施。

[1]劉成云，陳振學(xué)，過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立與開放研究[J]，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(4):104-106

[2]于玲，戴連奎，過(guò)程控制系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)與綜合仿真教學(xué)方法[J]，上海:化工高等教育，2012(2):90-92

[3]劉漫丹，楊潔，羅健旭等，過(guò)程控制工程的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]，上海:化工高等教育，2006(03):72-73

[4]楊慧中，陳剛，朱志芳等，“過(guò)程控制系統(tǒng)”創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的研究與探索[J]，上海:化工高等教育，2012(2):70-72，85

[5]王冬艷，鄭驪，李小平，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)改革[J]，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012 ，34(6):77-79

[6]鄧曉剛，楊明輝，王樹斌，基于差異化策略的自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)探索[J]，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(6):101-103

[7]查建中，徐文勝，顧學(xué)雍等，從能力大綱到集成化課程體系設(shè)計(jì)的CDIO模式---北京交通大學(xué)創(chuàng)新教育實(shí)驗(yàn)區(qū)系列報(bào)告之一[J]，武漢:高等工程教育研究，2013(2):10-23