基于工程教育的《過程控制及儀表》階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索*

吳宏岐 李小斌 陳江

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西寶雞721007）

基于工程教育的《過程控制及儀表》階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索*

吳宏岐 李小斌 陳江

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西寶雞721007）

為提高工科學(xué)生的工程實(shí)踐能力，有效實(shí)施工程教育，激發(fā)學(xué)生工程研究興趣。在《過程控制及儀表》專業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度逐級提高，研究設(shè)計五個梯級的階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過一個實(shí)際工程項(xiàng)目水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生掌握一個項(xiàng)目開發(fā)研究過程；由易到難的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施，能夠循序漸進(jìn)地提高學(xué)生過程自動化設(shè)計研究能力。實(shí)踐表明，階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有較好的工程教育效果。

工程教育；工程實(shí)踐能力；階梯型實(shí)驗(yàn)

一、概述

在我國工業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展擴(kuò)大形勢下，教育部實(shí)施了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，明確了辦學(xué)思想，確定工科人才培養(yǎng)目標(biāo)和方法，強(qiáng)調(diào)提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力。就是要為社會培養(yǎng)善于分析問題和解決實(shí)際工程問題的高素質(zhì)工程技術(shù)人才，滿足工業(yè)高速發(fā)展的要求。“過程控制及儀表”是控制理論、生產(chǎn)工藝、計算機(jī)技術(shù)和儀器儀表知識等相結(jié)合的一門綜合性應(yīng)用強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課程。課程任務(wù)是在了解、熟悉、掌握生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)過程的靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)來分析、設(shè)計、整定過程控制系統(tǒng)，并解決實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。由于它與生產(chǎn)過程聯(lián)系密切，如沒有合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目配合，則學(xué)生對其內(nèi)容很難理解并掌握，更談不上復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的設(shè)計。為此，從工程應(yīng)用角度，我們按照普通高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計研究階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由簡單到復(fù)雜，分為五個等級，逐級提高難度。使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)的掌握工程設(shè)計過程，并對工程產(chǎn)生研究的興趣。通過階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生樹立了強(qiáng)烈的工程意識，具有較高的工程實(shí)踐能力。

二、“階梯型”設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

我們在“過程控制及儀表”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增強(qiáng)設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。按照內(nèi)容由淺到深、能力逐漸增強(qiáng)的思路，以提高工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向，以專業(yè)知識體系為主線，設(shè)計了“水塔液位控制”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從低到高、從簡單到復(fù)雜，確定五種控制方案，從易到難將這些不同控制方案對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)建為五個階梯。第一階梯實(shí)驗(yàn)為人工控制水塔液位，以工程認(rèn)知和工程意識培養(yǎng)為主。讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，了解和掌握什么是被控對象、被控參數(shù)和控制參數(shù)，建立一個工程概念；第二階梯是兩位式液位控制實(shí)驗(yàn)，主要是讓學(xué)生建立自動控制的概念，了解生產(chǎn)過程控制機(jī)理，其目的是培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)。第三階梯是電動閥實(shí)現(xiàn)的連續(xù)液位控制實(shí)驗(yàn)，主要是讓學(xué)生深刻認(rèn)識PID連續(xù)控制及參數(shù)整定的重要性，正確選擇自動化儀表，其目的是提高學(xué)生的工程設(shè)計能力；第四階梯是變頻器實(shí)現(xiàn)的液位控制實(shí)驗(yàn)，其目的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力；第五階梯是PLC實(shí)現(xiàn)的液位控制實(shí)驗(yàn)，其目的是培養(yǎng)學(xué)生工程科研能力。通過以上由低到高逐步強(qiáng)化的“階梯型”實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。使學(xué)生能靈活應(yīng)用《過程控制及儀表》課程知識，為工礦企業(yè)設(shè)計符合要求的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)。

三、“階梯型”設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的實(shí)施

（一）第一階梯“人工控制水塔液位實(shí)驗(yàn)”

本實(shí)驗(yàn)主要使學(xué)生建立液位控制的概念，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。采用人工控制的方法把水塔（用水箱代替）的水位調(diào)節(jié)到設(shè)定液位點(diǎn)（如15cm）上，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。水箱就是被控對象，液位就是被控參數(shù)，水箱進(jìn)水量是控制參數(shù)，水箱就是被控對象。在干擾作用下（通過改變出水閥開度），水位會變化，通過手動調(diào)節(jié)進(jìn)水量，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定水箱液位的目的。但通過手動實(shí)驗(yàn)，得到的液位變化曲線圖2所示，水箱液位不能控制在設(shè)定值上，而是在其設(shè)定值上下有較大幅度的波動，且幅度均不相等。操作者既要用眼睛觀測水位，又要用手操作閥門，工作忙亂、耗時費(fèi)力。讓學(xué)生認(rèn)識到人工控制不及時，控制準(zhǔn)確性差、控制效率低等問題。從而引入自動控制概念，用儀表代替人，實(shí)現(xiàn)水箱液位的自動控制。

圖1　人工液位控制系統(tǒng)流程圖

圖2　人工控制液位變化曲線

（二）第二階梯“位式液位控制實(shí)驗(yàn)”

本實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生建立一個單回路液位控制系統(tǒng)，使學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及如何搭建一個單回路控制系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，采取有效措施加以解決。采用人工控制效果差，可引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計位式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液位的控制，即用自動化儀表代替人實(shí)現(xiàn)自動控制。由學(xué)生自己選擇儀表搭建“位式液位控制系統(tǒng)”如圖3所示，把水塔液位控制在某一高度上（15cm），當(dāng)用戶用水量變化，就會導(dǎo)致水箱水位變化，通過液位檢測器檢測水位并轉(zhuǎn)化為電信號，在送給二位式調(diào)節(jié)儀表，調(diào)節(jié)儀表通過電磁閥控制水箱進(jìn)水量，從而實(shí)現(xiàn)斷續(xù)液位位調(diào)節(jié)。

圖3　兩位式液位控制系統(tǒng)流程圖

通過改變出水管道閥門開度，改變水箱出水流量，從而模擬用戶用水變化。當(dāng)水箱出水量變化后（即干擾），導(dǎo)致水位變化，在二位式控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，水位在設(shè)定的水位（15cm）上下波動，如圖4所示。

分析水位變化曲線，控制系統(tǒng)也不能將水位保持在設(shè)定的水位（15cm）上，但振蕩幅度很小，其控制精度得到提高。整個調(diào)節(jié)過程由自動化儀表構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)完成。系統(tǒng)參數(shù)（給定值設(shè)置）確定，無需人的干預(yù)，自動實(shí)現(xiàn)水位控制。這個位式控制系統(tǒng)簡單，調(diào)節(jié)器簡單便宜、執(zhí)行器為電磁閥也簡單便宜，且無需繁瑣的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，但控制過程存在振蕩。實(shí)際工程中，只能用于控制精度要求不高的場所。實(shí)驗(yàn)中可發(fā)現(xiàn)電磁閥動作的頻率很快，很容易導(dǎo)致電磁閥損壞；從實(shí)際水塔供水工程上看，只要保證水塔有水，滿足用戶用水要求即可。為此，可以讓學(xué)生設(shè)置一上限水位點(diǎn)和下限水位點(diǎn)，當(dāng)水位低于下限時，控制管路進(jìn)水，當(dāng)水位高于上限時，控制管路停止進(jìn)水，從而將水位控制在某一范圍中，如圖5所示。這樣電磁閥動作的頻率就不高，也就不容易損壞，這樣整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)可靠性能得到保證。

圖4　兩位式控制液位變化曲線

圖5　上下區(qū)間液位控制變化

（三）第三階梯“PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的連續(xù)水位控制實(shí)驗(yàn)”

在生產(chǎn)實(shí)際中，很多生產(chǎn)工藝要求容器中水位保持在某一恒定的數(shù)值上，上述位式調(diào)節(jié)系統(tǒng)顯然達(dá)不到要求，就必須考慮采用連續(xù)調(diào)節(jié)器和電動閥實(shí)現(xiàn)水位的連續(xù)調(diào)節(jié)。我們選擇PI調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一單回路PI連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖6所示。控制系統(tǒng)工作時可以連續(xù)改變電動閥的開度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水量的精確調(diào)節(jié)，使得水位保持在某一確定的數(shù)值上。如圖7所示，在干擾作用下（通過改變出水閥門開度施加擾動），水位發(fā)生變化，控制系統(tǒng)只需經(jīng)過兩個震蕩周期，便可以使水位準(zhǔn)確調(diào)整到設(shè)定值（15cm）上，且保持不變。本系統(tǒng)所用的調(diào)節(jié)器和電動閥價格較貴，整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)造價較高；調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不容易達(dá)到最優(yōu)，如果參數(shù)整定不合適，系統(tǒng)就會出現(xiàn)超調(diào)大、過度時間長、靜差大等問題，調(diào)節(jié)質(zhì)量達(dá)不到工藝要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可使同學(xué)感受到自動化儀表在系統(tǒng)設(shè)計中的重要，系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行中調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的重要性。

（四）第四階梯“變頻器實(shí)現(xiàn)的水位控制實(shí)驗(yàn)”

圖6　兩位式液位控制系統(tǒng)流程圖

圖7　PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)液位變化曲線

圖8　液位控制系統(tǒng)流程圖

圖9　變頻器控制的液位變化曲線

這為綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，需要綜合多門課程所學(xué)知識來搭建液位控制系統(tǒng)。為提高液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，滿足更高的工藝要求，我們將水泵更換為磁力泵，增加一變頻器，設(shè)計變頻器實(shí)現(xiàn)的水位控制系統(tǒng)，如圖8所示。調(diào)節(jié)器通過變頻器控制磁力泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水流量從而實(shí)現(xiàn)更加精確的液位調(diào)節(jié)。當(dāng)擾動出現(xiàn)后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)水位變化如圖9所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)超調(diào)小、調(diào)節(jié)時間短及靜態(tài)偏差也很小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果非常好，可滿足更高的工業(yè)過程生產(chǎn)需要。

（五）第五階梯“PLC實(shí)現(xiàn)的電動閥雙容液位控制實(shí)驗(yàn)”

本實(shí)驗(yàn)是一設(shè)計研究性實(shí)驗(yàn)，采用可編程序控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)液位控制，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜被控對象的液位恒定控制，如圖10所示。將下水箱水位控制在設(shè)定的高度。根據(jù)下水箱液位信號輸出給PLC，PLC對其接受信號與給定信號比較后的結(jié)果進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出信號給電動閥，然后由電動閥控制上水箱的進(jìn)水量，從而達(dá)到控制液位恒定的目的，如圖11所示。這個被控過程比較復(fù)雜，是一個雙容對象，存在容量滯后問題。系統(tǒng)設(shè)計中PLC輸入、輸出信號需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換，需要編寫PLC控制程序、PID運(yùn)算程序、需要控制參數(shù)整定等工作。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，需要分析癥結(jié)加以處理，如PLC地線未可靠連接好，在干擾的影響下，水箱水位變化曲線出現(xiàn)鋸齒紊亂現(xiàn)象如圖12所示。

圖10　雙容水箱液位控制系統(tǒng)

圖11　PLC控制的雙容液位變化曲線

圖12　PLC未連接地線時液位變化曲線

四、結(jié)束語

階梯型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是將工程案例引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生完成從手動控制到自動控制實(shí)驗(yàn)、從低級系統(tǒng)控制設(shè)計到高級系統(tǒng)設(shè)計控制實(shí)驗(yàn)。能有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)過程控制興趣，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識、理解和掌握生產(chǎn)過程自動控制。實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)控制質(zhì)量要求逐級提高，使得學(xué)生深入研究設(shè)計方案，分析和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，從而增強(qiáng)了工程實(shí)踐能力。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式適合在開放性實(shí)驗(yàn)采用，應(yīng)以學(xué)生為主體，老師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可合作完成實(shí)驗(yàn)，根據(jù)能力強(qiáng)弱，從低到高逐級進(jìn)行，從而達(dá)到完成不同梯級的實(shí)驗(yàn)。

［1］林健.卓越工程師培養(yǎng)質(zhì)量保障［M］.清華大學(xué)出版社，2016，1.

［2］向梅梅，劉明貴.應(yīng)用型本科高校實(shí)踐教學(xué)研究［M］.暨南大學(xué)出版社，2011，8.

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［4］張德江.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位問題及模式探析［J］.中國高等教育，2011（18）.

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To improve the engineering practice ability of the students，effectively implement engineering education，and inspire their interests，a kind of 5 steps ladder-like experiment teaching mode is used in experiment teaching environment of process control and instrument.The difficulty of experiments is increased step by step according to the contents from simple to complex.It helps the students master a project development process through an experiment of the control system design for the water tower water level.The student abilities of research design for process automation can be gradually increased by the design experimental scheme implementation.Practice shows that the ladderlike experiment teaching model has good effect on engineering education.

engineering education；engineering practice ability；ladder-like experiment

G642

A

2096-000X（2016）21-0013-04

寶雞文理學(xué)院教改重點(diǎn)研究項(xiàng)目（13JG16）；陜西省教育科學(xué)研究項(xiàng)目（SGH12414）

吳宏岐（1963，03-），男，寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院教授，研究方向：智能控制。