劉文定 張俊梅 陳鋒軍

北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083

過程控制系統(tǒng)是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，涉及控制系統(tǒng)模型建立、系統(tǒng)控制方案確定、控制策略研究、控制器參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)元器件和執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)選擇、單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)等內(nèi)容，并且課程內(nèi)容和實(shí)際系統(tǒng)聯(lián)系非常密切，如何在有限的理論教學(xué)時(shí)間內(nèi)，利用有限的實(shí)驗(yàn)條件完成必要的理論和實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)滿足卓越工程師知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的培養(yǎng)，達(dá)到深化和拓寬學(xué)生知識(shí)體系，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐熱情是課題重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1 強(qiáng)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑基于問題的探究式理論教學(xué)

卓越工程師的培養(yǎng)遵循知識(shí)掌握、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高協(xié)調(diào)發(fā)展的原則。高等人才能力和素質(zhì)的培養(yǎng)離不開知識(shí)的傳授，而知識(shí)傳授中課堂理論教學(xué)是必不可少的，隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)導(dǎo)致專業(yè)課學(xué)時(shí)難以滿足理論教學(xué)，如何在較短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹R(shí)載體來(lái)進(jìn)行知識(shí)傳授以達(dá)到能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高的目的，為此提出了基于問題的探究式理論教學(xué)。過程控制系統(tǒng)的檢測(cè)變送和執(zhí)行器知識(shí)點(diǎn)(涉及傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)器、機(jī)械調(diào)節(jié)閥等)，以往限于課時(shí)所限課堂上教師僅僅簡(jiǎn)單說(shuō)明，學(xué)生也只有輪廓概念，對(duì)知識(shí)的理解和掌握非常不利，就業(yè)后無(wú)法解決實(shí)際問題。本著知識(shí)的掌握在于實(shí)際應(yīng)用的原則，課堂上我們針對(duì)需要掌握的知識(shí)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)循序漸進(jìn)的問題：鍋爐水位控制系統(tǒng)(系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求動(dòng)態(tài)指標(biāo)、靜態(tài)指標(biāo)、安全性等)。為了達(dá)到要求從控制角度提出構(gòu)成最基本的控制系統(tǒng)類型，大部分學(xué)生提出采用檢測(cè)水位高度和設(shè)定值比較的閉環(huán)控制系統(tǒng)，抽象繪出系統(tǒng)框圖，引導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)系統(tǒng)必不可少的一個(gè)裝置是什么？裝置特性和工作原理如何？基于問題教師恰當(dāng)?shù)匾鲂轮R(shí)點(diǎn)—調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的類型、特點(diǎn)、使用場(chǎng)合等—電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥，直觀通過實(shí)際模型和實(shí)際應(yīng)用例子使問題的解答構(gòu)成一個(gè)探究式的知識(shí)體系，通過理論教學(xué)對(duì)學(xué)生思維的啟發(fā)使學(xué)生的能力和素質(zhì)在知識(shí)體系的傳授中逐漸培養(yǎng)出來(lái)。帶著實(shí)際問題的探究式課堂教學(xué)強(qiáng)化知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，使每個(gè)知識(shí)模塊構(gòu)成一個(gè)實(shí)際的訓(xùn)練系統(tǒng)，從問題提出到問題解答再上升到理論，使學(xué)生從行業(yè)工程師的角度理解基本知識(shí)和基本理論，從實(shí)際應(yīng)用中掌握基本技能和研究方法，從卓越工程師高度培養(yǎng)學(xué)生適合學(xué)科特點(diǎn)的思維方法和思維能力。

2 創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)境，構(gòu)筑理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神的一項(xiàng)重要工作。過程控制系統(tǒng)涉及石油、化工、電力等多種行業(yè)，為此，2012年以校精品課程過程控制系統(tǒng)建設(shè)為契機(jī)，從培養(yǎng)高素質(zhì)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的卓越人才出發(fā)探討專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)模式。力求創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，提高實(shí)踐教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，同時(shí)將本課程與信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)仿真、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等課程有機(jī)結(jié)合，探尋專業(yè)課程體系新模式，構(gòu)建創(chuàng)新型實(shí)踐課程體系，建立理論與實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐環(huán)境。

2.1 甄選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，銜接多方位知識(shí)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)是學(xué)生檢驗(yàn)知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的主要途徑。以往過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，教師指定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，給出實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生盲目地按實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)做。由于實(shí)驗(yàn)條件受限(目前僅有5套高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置)，導(dǎo)致大部分學(xué)生只是看別人做，抄抄數(shù)據(jù)，照貓畫虎撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題多樣性意義不大，特別是自主學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新實(shí)踐能力無(wú)法激發(fā)。為此，我們從多方位知識(shí)點(diǎn)的連貫和銜接出發(fā)選擇合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

單回路控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一類，特別是鍋爐控制系統(tǒng)，它是石油、化工、發(fā)電廠等工業(yè)過程中必不可少的動(dòng)力設(shè)備，該控制系統(tǒng)涉及電路、控制理論、傳感器、計(jì)算機(jī)控制等多方面知識(shí)。課堂上引導(dǎo)學(xué)生從周邊鍋爐(供熱鍋爐、水房鍋爐)需要控制的量(液位、溫度、燃燒等)考慮，指出鍋爐控制系統(tǒng)包括鍋爐本體水位控制、燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)等，而要完成控制任務(wù)，需要構(gòu)成被控變量的單回路控制系統(tǒng)，控制器參數(shù)的確定又依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，控制理論所講的解析法建模需要明確各個(gè)環(huán)節(jié)機(jī)理，這在實(shí)際系統(tǒng)中比較困難，如何采用實(shí)驗(yàn)方法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，安排鍋爐對(duì)象的實(shí)驗(yàn)建模內(nèi)容？在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生帶著問題(正向飛升響應(yīng)曲線和反向飛升響應(yīng)曲線)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并從理論上回答為什么需在系統(tǒng)平穩(wěn)后突加輸入信號(hào)，正向和反向信號(hào)對(duì)模型建立是否有影響等一系列問題。實(shí)驗(yàn)完成后實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫要針對(duì)問題從理論上加以解釋。這樣實(shí)驗(yàn)又反過來(lái)促進(jìn)了理論知識(shí)的掌握，理論知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生多方案解決問題的能力

目前我校過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法做到一人一臺(tái)，且實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程時(shí)間比較長(zhǎng)，鍋爐溫度下降10 ℃需要十多分鐘。鍋爐單回路系統(tǒng)控制器PID參數(shù)整定過程，特別是研究參數(shù)變化(PID3個(gè)參數(shù)有無(wú)窮多組合)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性影響，即使僅研究三四種參數(shù)變化，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上大約需要1.5小時(shí)，學(xué)生只能等待，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。為此，我們大膽嘗試新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，將控制系統(tǒng)仿真軟件引入過程控制系統(tǒng)，虛擬模型構(gòu)建實(shí)物裝置實(shí)驗(yàn)，以實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象模型建立仿真原型，按照過程控制系統(tǒng)的實(shí)際情況構(gòu)建Simulink仿真模型，計(jì)算機(jī)上重點(diǎn)研究各個(gè)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性的影響，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將仿真結(jié)果和理論知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)驗(yàn)提升課堂知識(shí)的掌握。如控制器類型的不同仿真解決方案，要掌握控制系統(tǒng)無(wú)精差必須采用積分控制，而純積分控制又易導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，積分時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響等，快速、多種、圖形化仿真實(shí)驗(yàn)為優(yōu)選確定本次實(shí)驗(yàn)的最佳控制策略和控制器參數(shù)提供了直觀、可靠的支持。仿真實(shí)驗(yàn)又回到實(shí)際系統(tǒng)，將仿真實(shí)驗(yàn)得到的最佳控制參數(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的初值，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中所得響應(yīng)曲線，并將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論知識(shí)結(jié)合針對(duì)實(shí)際情況向正確方向微調(diào)控制器參數(shù)，快速的仿真實(shí)驗(yàn)過程和高效的實(shí)際實(shí)驗(yàn)可使每個(gè)學(xué)生有機(jī)會(huì)自己動(dòng)手完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，既可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，又可利用軟件提高實(shí)驗(yàn)效率與教學(xué)效果，大大拓展了學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的抽象理論分析、研究、參數(shù)確定、優(yōu)化控制策略確定的能力。仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，擴(kuò)大學(xué)生自主獲取知識(shí)和技能的能力，加深學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解和掌握，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，提升學(xué)生多種方案解決問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。

2.3 針對(duì)過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)，安排系列實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生創(chuàng)新能力

過程控制系統(tǒng)是專業(yè)性很強(qiáng)的課程，涉及實(shí)際化工、電力等系統(tǒng)，如何通過課程的理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和就業(yè)以后應(yīng)對(duì)不同的過程控制系統(tǒng)是本次教改的重要內(nèi)容之一。電廠和民用鍋爐水位控制、化工原料液位高度控制等均涉及液位控制，液位控制系統(tǒng)是過程控制的典型控制系統(tǒng)。在理論教學(xué)上我們把實(shí)際系統(tǒng)加以抽象建立描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求的不同和系統(tǒng)存在的干擾情況有針對(duì)性地提出單回路控制方案和串級(jí)控制方案，并且對(duì)這兩種方案的優(yōu)劣及適應(yīng)場(chǎng)合進(jìn)行理論分析，同時(shí)為提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和以實(shí)驗(yàn)加深理論知識(shí)的掌握，圍繞液位控制開設(shè)了系列實(shí)驗(yàn)，具體做法如下：

(1)使用實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)使學(xué)生充分了解實(shí)驗(yàn)裝置中傳感器的類型和校驗(yàn)的必要性、系統(tǒng)的平衡狀態(tài)、實(shí)際環(huán)境中的干擾信號(hào)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。

(2)實(shí)驗(yàn)過程中帶著問題(系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型測(cè)試為什么要等系統(tǒng)平衡后突加階躍信號(hào)？為什么要用正向和反向信號(hào)作用進(jìn)行參數(shù)測(cè)試？)完成實(shí)驗(yàn)，被控對(duì)象建模理論知識(shí)確定實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟，和實(shí)驗(yàn)教師討論后自己動(dòng)手搭接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

(3)根據(jù)多組測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合多學(xué)科理論知識(shí)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括模型的類型和參數(shù))，實(shí)驗(yàn)過程中教師抽查上述問題的解答。

(4)為完成系統(tǒng)的基本要求，構(gòu)成單回路控制方案，在線整定控制器參數(shù)，分析系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性和干擾作用下系統(tǒng)的抗干擾能力，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，在實(shí)驗(yàn)過程中我們有目的地設(shè)置一些問題(如何降低干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，如何提升控制系統(tǒng)的精度等)引導(dǎo)學(xué)生提出新的合理控制方案。

(5)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括主控制器、副控制器類型和參數(shù)整定，系統(tǒng)在一次、二次干擾作用下系統(tǒng)的相應(yīng)和動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)研究，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題(如串級(jí)控制系統(tǒng)為什么對(duì)主擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抗擾能力？為保證系統(tǒng)靜態(tài)無(wú)誤差主控制器為什么必須采用PI或PID？)，教師不急于簡(jiǎn)單解答，而是激發(fā)學(xué)生從理論上分析得到結(jié)論，這種理論循序漸進(jìn)到實(shí)踐再升華回到理論的模式，改變了學(xué)生為實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)的機(jī)械動(dòng)作，從實(shí)驗(yàn)來(lái)加深理論知識(shí)，又應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題，系列實(shí)驗(yàn)大大提升了學(xué)生創(chuàng)新能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展大學(xué)生創(chuàng)新研究，提高學(xué)生的科研能力

大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目是在導(dǎo)師指導(dǎo)下，學(xué)生自主選題、獨(dú)立完成課題、撰寫課題結(jié)題報(bào)告等工作，創(chuàng)新項(xiàng)目意在調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。可以有效地訓(xùn)練學(xué)生在未知領(lǐng)域的探索精神、獨(dú)立思考、獨(dú)立創(chuàng)造性地分析和解決問題的能力。而過程控制系統(tǒng)課程安排在第七學(xué)期，學(xué)生的基本知識(shí)、基本技能、創(chuàng)新意識(shí)等逐步形成，為了使有潛力的學(xué)生盡早接受系統(tǒng)的科研能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，攝取學(xué)科前沿知識(shí)，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)有堅(jiān)實(shí)理論知識(shí)和深厚知識(shí)底蘊(yùn)的學(xué)生指導(dǎo)申報(bào)國(guó)家、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，2009年確立國(guó)家級(jí)“仿生機(jī)器魚”和2012年校級(jí)“智能機(jī)器魚氯氣監(jiān)控系統(tǒng)”項(xiàng)目。項(xiàng)目的前期研究涉及過程控制系統(tǒng)控制策略和控制器參數(shù)確定實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)有能力的學(xué)生多方面考慮問題、多方面解決問題，實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力不知不覺就應(yīng)用到科研活動(dòng)，科研活動(dòng)中遇到的各種問題又不斷培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生利用扎實(shí)的基礎(chǔ)及時(shí)攝取新知識(shí)，實(shí)驗(yàn)技能又推動(dòng)獲取知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的創(chuàng)新能力。進(jìn)一步發(fā)展了學(xué)生學(xué)科知識(shí)的橫向關(guān)聯(lián)，使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力得到有效培養(yǎng)。

4 多學(xué)科知識(shí)融合實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)創(chuàng)造性人才

過程控制系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)和其他課程呈現(xiàn)立體交叉，多學(xué)科知識(shí)又融合于實(shí)驗(yàn)過程，為此，課題組在自動(dòng)化系列課程實(shí)驗(yàn)過程中采用逐步遞進(jìn)的原則安排一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)課程做必要的鋪墊。例如，基本的開環(huán)控制和閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性研究在控制理論課程中已做了多方位研究，過程控制系統(tǒng)前饋控制為什么可以有效地消除干擾影響，前饋加反饋的復(fù)合控制為什么既可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性又可提高系統(tǒng)的抗干擾能力，它是如何解決穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度之間的矛盾等問題。要求學(xué)生先思考，教師輔助給出提示，從自動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)概念、穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，融合多學(xué)科知識(shí)引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)分析所得結(jié)果，最后合理正確地給出答案，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)研究得到全面和立體的概念，使實(shí)驗(yàn)升華到科學(xué)研究的探索實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自身的知識(shí)無(wú)形中得到增加，鞏固了以前其他課程中學(xué)習(xí)的知識(shí)，加強(qiáng)了多學(xué)科之間的融合，進(jìn)而拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等學(xué)校工科教學(xué)中占有重要的地位，探討過程控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)新模式具有重要意義，通過連續(xù)5年的實(shí)踐，在注重學(xué)生理論知識(shí)的夯實(shí)的基礎(chǔ)上，把課程實(shí)驗(yàn)有機(jī)、科學(xué)地貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)，多方位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、多學(xué)科融合實(shí)驗(yàn)過程和帶著問題做實(shí)驗(yàn)等均以學(xué)生為主導(dǎo)，充分考慮學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)規(guī)律。使學(xué)生個(gè)人的潛在能力得到充分發(fā)揮，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性得到有效發(fā)展。理論教學(xué)鏈和實(shí)踐教學(xué)鏈有機(jī)結(jié)合的教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，在實(shí)踐教學(xué)中注意激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性，注重教與學(xué)的互動(dòng)，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、解決問題能力和綜合創(chuàng)新能力，提高了專業(yè)課程教學(xué)效果和質(zhì)量，對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)和創(chuàng)新科研能力提升奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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