“過程控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革

趙黎明， 張 冰

(廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

0 引言

“過程控制系統(tǒng)”作為理工科院校自動(dòng)化專業(yè)的核心專業(yè)課程，涵蓋了自動(dòng)控制理論(經(jīng)典控制及現(xiàn)代控制)、傳感器、儀器儀表、工藝技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等理論知識(shí)，是一門具有很強(qiáng)應(yīng)用背景的核心專業(yè)課[1-3]。

多年來，我校自動(dòng)化專業(yè)在該課程教學(xué)中針對(duì)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)教學(xué)現(xiàn)狀不斷分析并結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷探索、總結(jié)，逐步完成了一系列教改方案，在教學(xué)實(shí)踐中取得了很好的效果。

1 現(xiàn)狀

目前我校的“過程控制系統(tǒng)”是由早期的“過程控制”及“過程控制儀表”兩門課程合并而來的，開展教改以來，本課程的學(xué)時(shí)一減再減。與此同時(shí)，過程控制技術(shù)在不斷地朝著復(fù)雜化、大型化、智能化發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛。數(shù)字替代模擬、總線式及網(wǎng)絡(luò)化替代單體、分布替代集中、智能替代簡(jiǎn)單的同時(shí)，組態(tài)技術(shù)、DCS、IPC、PLC、FCS等不斷發(fā)展并交叉融合，使得傳統(tǒng)的技術(shù)界限模糊化[4,5]。這些使得課程內(nèi)容變得龐大而繁雜，學(xué)生的學(xué)習(xí)陷入“學(xué)時(shí)減少”但“內(nèi)容增加、要求更高”的矛盾之中。為解決此矛盾，該課程的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2 課程的教改

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

1)重視緒論，“開門見山”激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

一般而言，“過程控制系統(tǒng)”課程的緒論部分主要介紹過程控制的歷史發(fā)展和研究現(xiàn)狀、課程學(xué)習(xí)的目的及要達(dá)到的要求、在專業(yè)體系中所處地位、與其它相關(guān)課程的聯(lián)系和作用、課程結(jié)構(gòu)及學(xué)時(shí)安排、各章節(jié)概況等。這些授課內(nèi)容中規(guī)中矩且枯燥乏味，對(duì)于尚缺乏專業(yè)深刻認(rèn)知的學(xué)生來說，難以引起其重視。所以如何在一開課就能吸引學(xué)生，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情是教改的熱點(diǎn)之一。

教師“開門見山”，列舉實(shí)例來吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在介紹課程的目的、要求及應(yīng)用時(shí)，教師可以給學(xué)生展示大量的過程控制的實(shí)際工程應(yīng)用案例以及往屆學(xué)生利用課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、各類大賽競(jìng)賽制作開發(fā)的作品、教師的科研成果等。還可以直接在課堂上播放一些過程控制的視頻資料，如德國的殺雞流水線、德國工業(yè)4.0、寶馬汽車自動(dòng)化裝配線、國內(nèi)相關(guān)行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線等，讓學(xué)生結(jié)合前期在東風(fēng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)總廠、三峽電站等實(shí)習(xí)期間的所見所聞進(jìn)行縱橫對(duì)比，了解當(dāng)前國家正號(hào)召的中國工業(yè)4.0等。

總之將過程控制系統(tǒng)及其應(yīng)用直觀具體地展現(xiàn)給學(xué)生，使其對(duì)課程充滿期待，提高學(xué)習(xí)興趣。

2)圍繞案例教與學(xué)，培養(yǎng)工程意識(shí)

教學(xué)時(shí)，通過案例來講解知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生極易接受且教學(xué)效果良好，同時(shí)更重要的是建立和強(qiáng)化課程的“過程”與“系統(tǒng)”的工程概念，也培養(yǎng)了學(xué)生從理論到實(shí)踐轉(zhuǎn)變的工程意識(shí)[6,7]。

課程前面章節(jié)介紹典型單閉環(huán)系統(tǒng)的四個(gè)環(huán)節(jié)：控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象、測(cè)量變送。在教學(xué)時(shí)，可以通過增加當(dāng)前各環(huán)節(jié)常見的儀器儀表的例舉，來加強(qiáng)對(duì)四個(gè)環(huán)節(jié)的認(rèn)識(shí)。比如控制器部分例舉前序課程中的各種單片機(jī)、PLC等實(shí)物及相關(guān)應(yīng)用介紹；執(zhí)行器部分例舉各種閥門、實(shí)驗(yàn)室所用的MM420變頻器等實(shí)物及相關(guān)應(yīng)用介紹；測(cè)量變送部分以實(shí)物或圖片、視頻資料例舉學(xué)生在各類大賽競(jìng)賽及畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用過的多種傳感器實(shí)物及相關(guān)應(yīng)用介紹。

在后續(xù)典型單閉環(huán)、串級(jí)、前饋—反饋、比值、均勻、閥位等控制系統(tǒng)的講授過程中，都可例舉相應(yīng)的實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例加強(qiáng)對(duì)典型控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)理解。比如例舉單容系統(tǒng)、管式加熱爐的溫度-溫度串級(jí)控制、多種液體混合系統(tǒng)等實(shí)際案例。這些案例不但包含了各種典型的信號(hào)控制(開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量)、信號(hào)測(cè)量、手自動(dòng)跟蹤等，同時(shí)也包含了系統(tǒng)的工程整定過程、投運(yùn)步驟及過程報(bào)警和連鎖保護(hù)等知識(shí)，涵蓋了工程“系統(tǒng)”的完整過程。

3) 關(guān)注作業(yè)，總結(jié)分析及時(shí)反饋給學(xué)生

作業(yè)中出現(xiàn)的問題充分反映了學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容、各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，教師在批改后要及時(shí)總結(jié)、分析，善于發(fā)現(xiàn)作業(yè)中錯(cuò)誤的共性和個(gè)性問題，這樣對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)所欠缺之處做到心中有數(shù)。

比如緒論部分作業(yè)中，對(duì)照鍋爐汽包水位控制示意圖要求畫出其系統(tǒng)方框圖，不少學(xué)生的系統(tǒng)框圖畫得千奇百怪或生搬硬套典型單閉環(huán)的四個(gè)環(huán)節(jié)方框圖，沒有指明具體被控過程、執(zhí)行器；通過對(duì)作業(yè)的分析可知，這些學(xué)生對(duì)過程控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)部分的學(xué)習(xí)不扎實(shí)、知識(shí)點(diǎn)未掌握。而個(gè)別學(xué)生將“汽包”寫成“氣泡”，則說明其學(xué)習(xí)態(tài)度不端正。將諸如此類的作業(yè)錯(cuò)誤在下一次上課前就給學(xué)生指出來，讓他們及時(shí)糾正錯(cuò)誤并回顧掌握前面章節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，這便有利于他們“輕裝上陣”地學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)。

4)有機(jī)調(diào)整、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

本課程涉及的內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)龐雜，同時(shí)也與前期相關(guān)課程在內(nèi)容上有相當(dāng)?shù)慕徊嬷丿B，所以有機(jī)調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容勢(shì)在必行。比如四個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)變送部分與“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程在傳感器處的內(nèi)容，執(zhí)行器部分與“電氣控制及PLC”課程在PLC處的內(nèi)容，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)與“自控原理”課程在單閉環(huán)的內(nèi)容等交叉重疊較多，所以刪減這些內(nèi)容并將余下授課時(shí)間調(diào)整給講授過程控制中的相關(guān)應(yīng)用方面很有必要。

2.2 改進(jìn)教學(xué)方法及教學(xué)手段

1)板書與多媒體相互配合

板書作為傳統(tǒng)教學(xué)手段必不可少，其在公式推演的講解中具有不可替代的作用，然而板書耗時(shí)頗多的缺點(diǎn)使得學(xué)生的注意力難以始終如一地專注授課內(nèi)容。所以將文、圖、聲、像融為一體的高質(zhì)量多媒體課件很受學(xué)生歡迎。比如在對(duì)比各種控制規(guī)律的優(yōu)劣時(shí)，將Matlab語言和過程控制有機(jī)結(jié)合，就能很好地降低授課內(nèi)容的抽象性，增加其直觀性[8,9]。

2)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)和應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，可使師生之間的教學(xué)活動(dòng)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，這在課堂教學(xué)學(xué)時(shí)受限的情況下，更能凸顯網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的重要性。通過網(wǎng)絡(luò)，教師可將相關(guān)教學(xué)資料、作業(yè)等發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，并進(jìn)行網(wǎng)上答疑、討論，學(xué)生能及時(shí)方便地得到教師和其他同學(xué)的解答。我們采用Blackborad在線教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行課外的師生教學(xué)交流，使得課程教學(xué)的效果及質(zhì)量均有良好的保障[10]。

3)重視數(shù)學(xué)及工程軟件的引入

過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)控制指標(biāo)的要求，進(jìn)行系統(tǒng)建模和控制器設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)各部件進(jìn)行選型并整定。根據(jù)過程對(duì)象數(shù)學(xué)模型、搭建系統(tǒng)模型、仿真驗(yàn)算、調(diào)整控制器參數(shù)、觀察系統(tǒng)仿真輸出曲線等，Matlab軟件的Simulink具有直接直觀的優(yōu)勢(shì)。所以在課程教學(xué)，尤其在控制器動(dòng)態(tài)特性、各種復(fù)雜控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的整定等知識(shí)的講解中，Matlab仿真實(shí)例輔助教學(xué)具有良好的效果。

除了對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握外，過程控制系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)“工程應(yīng)用”的特點(diǎn)。目前各行各業(yè)的過程控制系統(tǒng)都結(jié)合PLC、DCS、組態(tài)系統(tǒng)等進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控，所以應(yīng)積極將PLC、DCS、組態(tài)軟件等引入到課程教學(xué)中來，這樣才能體現(xiàn)課程的“工程應(yīng)用”特色。

4)多方式交流開拓知識(shí)面

(1)適當(dāng)穿插介紹自動(dòng)化行業(yè)的最新發(fā)展和最新成就，提高學(xué)生的行業(yè)認(rèn)知高度。由于相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得過程控制系統(tǒng)不斷向“縱深”發(fā)展。因此，除了典型的課程知識(shí)點(diǎn)外，還應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中適當(dāng)穿插介紹一些傳感器、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、控制等技術(shù)的最新發(fā)展及其應(yīng)用動(dòng)態(tài)。

(2)不定期將工程企業(yè)界技術(shù)專家和精英請(qǐng)到學(xué)校講臺(tái)上，給學(xué)生及教師開設(shè)技術(shù)專題講座，這是溝通院校教育與就業(yè)職業(yè)技能接軌、交流技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的好方法。

(3)充分利用畢業(yè)生返校交流、座談的時(shí)機(jī)，讓他們引領(lǐng)學(xué)生了解本課程在相關(guān)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，為在校生提供良好的現(xiàn)實(shí)借鑒和指引。

3 改進(jìn)及拓展實(shí)踐環(huán)節(jié)

實(shí)踐環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和各類實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)等。我校過程控制實(shí)驗(yàn)室主要有天煌教儀的PCS3000高級(jí)過程控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)單容、雙容、多容、鍋爐、管道對(duì)象的液位控制、流量控制、溫度控制，可實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)、串級(jí)、前饋-反饋控制等，這些能滿足基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)要求；另有一套碼頭集裝箱堆垛系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)模擬碼頭集裝箱堆垛運(yùn)輸?shù)奈恢谩⑦\(yùn)動(dòng)、機(jī)械手等控制，滿足較高要求的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。除此之外，還在以下幾個(gè)方面對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)做進(jìn)一步改進(jìn)和拓展。

1)深化基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生清楚實(shí)驗(yàn)的整個(gè)來龍去脈。比如單容水箱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，除了得出單容特性的結(jié)論外，還要求學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備裝置、傳感器、控制規(guī)律、上位機(jī)軟件等軟硬件特點(diǎn)，這樣使基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)涵有“系統(tǒng)”的深入認(rèn)知。當(dāng)然，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也是重要的。

2)課程設(shè)計(jì)改革

課程設(shè)計(jì)一般遵循“選題”、“分析題目”、“確定方案”、“建模仿真”、“控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)”這個(gè)基本過程。本課程的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如何達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新及實(shí)踐能力這一目標(biāo)，是課程教改及實(shí)踐的熱點(diǎn)之一。我們結(jié)合一周的課程設(shè)計(jì)安排，比如一個(gè)簡(jiǎn)單的雙容水箱水位單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，劃分為以下三個(gè)層次。第一層次，基礎(chǔ)內(nèi)容包括選題分析、過程建模、控制方案確定、Matlab仿真、PID參數(shù)的工程整定、單閉環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的設(shè)備選型、閥的氣開氣關(guān)選擇、單閉環(huán)系統(tǒng)的無擾切換及投運(yùn)等；第二層次，在第一層次基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)內(nèi)容及難度，進(jìn)一步將單閉環(huán)系統(tǒng)改進(jìn)為串級(jí)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、串級(jí)控制系統(tǒng)的工程整定方案；第三層次，在第二層次基礎(chǔ)上繼續(xù)增加設(shè)計(jì)的內(nèi)容及難度，再進(jìn)一步利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的WinCC或ForceControl組態(tài)串級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)等。一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)涵蓋了本課程的大部分環(huán)節(jié)，做到簡(jiǎn)單可行、全面反映課程知識(shí)的學(xué)習(xí)以及工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力的鍛煉。

3)靈活多樣的實(shí)踐教學(xué)方式

本課程實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)一般采用靈活多樣的方式進(jìn)行，既可以利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備做PLC+典型單雙容水箱或加熱爐的水位、溫度、流量的過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也可以利用Matlab做一些過程控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)；除此之外，還利用課余時(shí)間邀請(qǐng)感興趣的學(xué)生去參觀中海油南海西部石油公司涵蓋流量、熱工等海洋石油采集及運(yùn)輸過程的大型湛江仿真平臺(tái)，使學(xué)生了解海洋石油的生產(chǎn)及儲(chǔ)運(yùn)過程，結(jié)合所見所聞與課程內(nèi)容相互印證，從而反哺到課程知識(shí)的掌握及其工程應(yīng)用上來。

4 轉(zhuǎn)變考核方式，評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果

為突出“過程控制系統(tǒng)”課程的工程應(yīng)用特點(diǎn)，其課程考核包括：理論、實(shí)踐、平時(shí)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)等，對(duì)于各考核所占權(quán)重由教師酌情定奪，課程的評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。理論部分的考核主要采取閉卷筆試，考題的深度、廣度、難度應(yīng)符合教學(xué)大綱要求。理論考核的分?jǐn)?shù)基本上能反映出學(xué)生對(duì)內(nèi)容的掌握程度，但考核的目的并不僅僅為了獲得考核分?jǐn)?shù)，而應(yīng)該著重對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題、工程應(yīng)用能力進(jìn)行考核，這樣才能使考核更全面客觀、更有意義。為了能充分評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)該課程的工程應(yīng)用能力，我們?cè)谠u(píng)價(jià)體系中引入設(shè)計(jì)類的大作業(yè)方式，有效地彌補(bǔ)了理論考核的單一性。

圖1 課程評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

6年的教改實(shí)踐過程表明，以工程應(yīng)用為主線貫穿“過程控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革，使得教學(xué)內(nèi)容豐富多彩、強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)且突出工程應(yīng)用及系統(tǒng)特

色，多種教學(xué)方法及教學(xué)手段的相互配合，靈活、全面而客觀的考核方式等方面的教改實(shí)踐，積極調(diào)動(dòng)和提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這些教改實(shí)踐雖然取得了良好的成果，但仍存在一些問題和不足，比如對(duì)于主動(dòng)性不高、自主學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)的學(xué)生，如何設(shè)計(jì)有針對(duì)性的考核方式促使他們盡快擺脫困境；如何使得各層次的學(xué)生盡可能在工程應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力方面有所突破，做好“因材施教”是進(jìn)一步教改探索的方向。

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