“生产过程控制及应用”实践课教学探讨

刘成云

(山东大学控制科学与工程学院，山东 济南 250061)

“生产过程控制及应用”是我校为控制工程领域工程硕士研究生开设的一门专业实践必修课。由于对工程硕士的培养目标侧重于工程应用，因此不能采用本科生学习“过程控制系统”的教学模式。我们结合工程硕士侧重于工程应用和实践的特点，利用一套过程控制的A3000高级过程控制实验系统为基础，开展实践深教学[1]。本文对该实践课从实验项目确定和教学方法改革进行了探索。

1 课程实验项目的确定

过程控制通常是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的生产过程的自动控制，它既需要专业基础理，又需要论联系实际[2]。对于工程硕士研究生来说，我们以过程控制系统的分析、设计和整定所需要的理论和方法为主线，以工业控制领域的实际需要为目标，利用实验室配备的三套模拟工厂现场工业过程控制的A3000高级过程控制实验系统(如图1所示)，进行“生产过程控制及应用”的实践课教学。对该课程提出的实验项目，要求学生清楚原理、步骤及注意事项等，并最终能按照要求完成参数的调节，控制最后的稳定[3，4]。为此确定了如下六个实验项目。

(1)了解A3000实验系统的组成、组态软件的认知及单容下水箱液位调节阀PID单回路控制;

(2)实现流量调节阀PID单回路控制及压力变频器PID单回路控制;

(3)实现下水箱液位和进口流量串级控制;

(4)实现下水箱液位前馈反馈控制;

(5)完成管道压力和流量解耦控制系统实验;

(6)完成模糊控制算法的研究。

图1 A3000高级过程控制实验系统结构图

实验项目中(1)和(2)是针对该系统设置的基本的实验操作。学生要熟悉A3000过程控制实验系统的架构，了解现场系统和控制系统各自的组成和操作，软件系统的组成和编程。对这些基础的实验项目不仅会熟练操作，还要按照要求编写控制程序和组态程序，完成参数调节，最后达到控制系统的稳定。

实验项目(3)、(4)和(5)属于复杂设计型，其难度较高，每次实验需要的时间也很长。实验项目(3)不仅要求学生学习闭环串级控制的原理，还要了解闭环串级控制的特点，掌握闭环串级控制的设计，尤其是主副参数的选择和主副回路的设计;要求学生在实验中经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证;而且学生还要通过抓图的方法提交获得的曲线，给出最佳串级控制参数并解释如何调节串级控制;最后还让他们思考分析液位流量串级控制和双容液位串级控制的区别以及各自的优缺点。实验项目(4)要求学生掌握前馈-反馈的特点，并掌握前馈—反馈控制的设计，给出实验方案，利用设计报表每20分钟记录一组数据;并在记录中显示报警时间和报警限值，给出最佳控制参数，并思考前馈—反馈控制与串级控制的区别以及各自的优缺点。实验项目(5)要求学生掌握解耦控制系统的设计，观察流量的改变是否导致压力的改变，并在解耦后对调节仪进行整定，观察整定效果，记录下全部数据;该实验还要求学生思考如果在换热器上设计解耦实验。

实验项目(6)是更复杂的创新型设计与研究。此类项目没有现成的模式，完全取决于学生的自主创造性。学生可以充分利用实验室的软硬件资源确定实验任务。该任务要求有一定的综合性，和系统性、全面涉及到模糊控制相关理论知识。学生要学习模糊控制的原理，了解其特点，还要设计出对于锅炉水泵控制系统的控制算法并在控制器中实现，然后调研论证并确定设计方案，最后进行系统测试并形成技术文件。整个过程在教师的监督指导下独立完成。

2 课程教学方法的改革与探索

2.1 采用的项目教学法

项目教学法是教师将需要解决的问题或需要完成的任务以项目的形式提交给学生，在教师指导下，学生以个人或小组工作方式，按照实际工作的完整程序，制定计划、共同或分工完成一个完整项目而进行的教学活动。“生产过程控别及应用”课程实践教学要求采用项目教学法，让每个学生都能积极参与到具体的实验项目中去。

我们以实验项目(3)下水箱液位和进口流量串级控制为例介绍教学法。实验项目任务是设计一个串级控制器，学生确定工作步骤和程序，制定项目的实施计划。利用现场模拟工厂过程控制的A3000实验系统平台进行操作，并利用上位机进行组态编程，调整参数的设置，获得最佳的控制效果。

2.2 培养的工程意识及团队精神

实验室配备的A3000高级过程控制系统是具有真实情境的工业生产过程的现场模拟装置，为生产过程控制实验教学赋予更实际的工程意义，为学生提供完整、真实的问题背景。在观察和操作过程对象时，学生自己完成系统硬件组态，有利于他们的知识融合、技术锻炼、思维培养和探索创新，也促进了理论和工程的结合[5]。

在实验实施的具体过程中，指导教师要发挥引导作用，要求小组成员以团队协作精神来共同进行实验操作，得出实验结果。并一起应对实验中可能出现的问题和困难。所以实验项目的运行对学生协作精神的培养具有积极作用，对自动化专业工程硕士开设的“生产过程控制及应用”实践课在工程应用中开展教学，为他们提供了工程体验的机会。

2.3 教学形式改革

我们采用的教学形式主要是结合该实践课的自身特点和具体的授课内容，全部安排在实验室进行。我们针对实际装置进行现场讲解，辅以工业生产过程视频、动画和仿真等方式进行展示，并补充大量工程应用实例。我们将典型生产设备引入课程中，介绍工艺特点、分析动态特性，根据过程的动态特性和工艺要求提出各种控制方案并进行比较，选择工程实施最优方案，避免学生盲目将控制理论套用到生产过程中[6]。

考虑到学时的限制和实际设置实验项目的难度，我们学生的成绩评定，要结合学生实验教学完成的质量和在具体实验过程中工作态度、协作能力和创新思维等表现给出，而不是单以实验报告进行最终评定。

3 结语

本文根据“生产过程控制及应用”实践技术课授课对象和自身的特点，就实验项目确定、教学方法改革两大方面进行了探索和研究。由浅入深、由基础到复杂的实验项目设置符合学生的思维规律，也能唤起对过去学习知识的记忆。再加上对教学方法的初次改革和尝试有效提升了学生的实践能力、创新能力和工程意识，也达到了对本领域工程硕士研究生的培养目标和要求。

[1]A3000过程控制实验系统实验指导书.北京:华晟高科教学仪器有限公司[M].2006

[2]潘炼，方康玲等著.过程控制与集散系统实验教程[M].武汉:华中科技大学出版社，2007

[3]李正军.计算机控制系统[M].北京:机械工业出版社，2007

[4]吴坚，赵英凯.计算机控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社，2002

[5]白政民，王武，葛瑜.自动化专业综合性实验模式探讨[J].北京:实验技术与管理，2010，27(8):64-166

[6]杨佳，许强，雷绍兰，郭燕.“过程控制系统”课程教学及实验改革探讨[M].北京:中国电力教育，2010，10:125-126