过程控制工程先进性教学改革

2022-09-11

过程控制工程一直都是自动化专业的重要专业课程, 该课程要求学生能综合运用所学的基础课, 专业基础课及相关专业课知识, 进一步掌握过程控制工程理论和实践知识, 培养学生具有解决过程控制系统的分析, 设计及投运的能力。我们需要在教学中加深学生对过程控制工程课程内容的理解, 培养学生的实践能力, 使学生在过程控制系统的设计和分析过程中将所学的理论知识融会贯通, 并能够将一些新技术、新方法应用到过程控制系统的设计之中。正是基于这样的认识, 我们对过程控制工程课程进行了探索性的教学改革, 从教学方法、实验环节及课程设计等方面提出多种先进性的教学方法和措施, 并在实际教学中取得了良好的教学效果。

1 教学内容及方法的改革

我校自从设置自动化专业以来, 过程控制工程一直作为该专业的主干课程。虽然和该课程的相关的书籍很多, 其中有不少教材也加入了一些新技术、新方法, 但仍然存在较多急需解决的问题。学生从学理论到用理论指导实践还有很大差距, 实践能力较差, 不能学以致用。随着自动化和计算机技术的迅猛发展, 对学生的知识结构和水平提出了新的要求。为此, 我们根据自动化技术的应用现状与未来发展的趋势, 优化过程控制课程的知识结构, 在教学内容体系上进行了较大改革与更新。

在教学内容中, 强化专业基础理论学习, 删除一些相对落后的和重复性内容的介绍, 重点要求理论在应用中的分析与仿真, 对过程控制教学的核心内容过程建模和常规控制系统工程设计, 并补充神经网络建模的方法。扩充先进控制理论应用的成果, 介绍一些先进的控制技术[1], 如模糊控制、预测控制、最优控制、神经网络控制及这些控制技术在过程控制工程的应用。另外, 详细介绍了一些典型的计算机过程控制技术及系统并分析了各系统的优缺点。

在教学方法上, 注意运用启发式和兴趣教学, 把课讲得生动形象, 激发了学生的主动性和兴趣。对课程的重点难点问题, 进行课堂提问或课堂讨论。全部采用多媒体课件与M A T L A B仿真相结合的教学方式, 对学过的理论知识及时使用M A T L A B进行仿真[2], 加强学生对课程内容的深入理解。为了强化理论与实际相结合, 使学生对教学内容不感到枯燥, 部分理论教学时安排在实验室进行, 针对实际装置进行现场讲解, 并辅以工业生产过程视频、动画、仿真等方式进行模拟。另外, 课程补充了大量工程应用例子, 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。

2 实践环节的改革

2.1 实验的改革

实践是检验学生对课程所学习的内容掌握程度的一个重要指标, 我们不希望自己的学生只有理论知识, 而不能和实践相结合, 不能将所学的知识用于实践。实践能力的培养对学生走向社会起到很重要的作用, 一个实践能力强的学生将受到社会的大大欢迎, 所以注重过程控制课程实践能力的培养就显得至关重要。过程控制工程实践主要包括课程实验、课程设计等。

课程实验是工科专业重要的实践性教学环节。专业实验是用于验证所学理论知识, 并加深巩固的不可或缺的步骤。过程控制实验室具有先进的实验设备 (3套求是教仪制造的PCI-II型过程控制实验装置) 能够开设过程控制工程的全部实验。我们对实验内容进行了优化整合, 采用验证性实验和综合性设计实验相结合的实验方法, 注重把前沿的一些自动技术转化为学生的实验内容。对部分具有浓厚兴趣的同学开设一些难度较大的实验, 并指导他们采用单片机设计控制器来控制实验对象和采用一些先进控制算法进行控制器的设计。

由于实际的实验装置台数相对较少, 为了让所有同学都能对课堂学习的知识具有更深的认识, 所以利用M A T L A B设计了水位控制的仿真实验并设计了简单负反馈控制系统、串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、选择控制系统、分程控制系统、模糊控制系统[3]等。这些实验内容由简单到复杂, 逐步深入, 这样一方面加深了学生对单个控制方案的理解, 另一方面对如何实现一个复杂控制系统的设计提供了方法。

2.2 课程设计的改革

另外, 为了较好的结合理论知识和实践, 我们提出了采用M A T L A B和组态软件相结合来对实验对象进行现场监控的课程设计方法。设计当中使用组态软件和MATLAB之间的DDE或OPC技术[4][5], 实现用组态软件和M A T L A B混合编程的方法进行控制系统组态设计。我们要求学生应用此方法设计一个液位控制系统或者温度过程控制系统, 由组态软件编制人机交互界面, 用M A T L A B完成控制算法 (P I D控制、模糊控制等) , 二者通过D D E或O P C进行实时数据交换。通过让每一个学生动手完成该设计, 使得学生将所学的控制理论可以很好的应用到过程控制当中, 大大增强了学生的学习兴趣和实践能力。

3 过程控制工程先进性教学改革效果

通过过程控制工程课程一些先进性教学改革, 学生较好掌握了国内外过程控制先进技术, 提高了专业技能, 通过实践环节的改革使得学生能够将所学的课堂知识应用到实践当中, 提高了学生的动手能力和综合应用, 并且加深了学生对所学理论知识的理解。总体来讲, 我们采用的先进性教学改革使得学生对自动化专业的重要课程——过程控制工程有了深入的理解, 他们能够很好的掌握各部分的知识, 并且通过实践能力的培养, 对和课程的相关一些基础理论也有全新的认识, 达到了预期的教学效果。

摘要：过程控制工程是自动化专业学生的必修的一门专业课, 该课程将控制理论、传感器技术、计算机控制等综合在一起, 并且密切结合工业过程实际。学好该课程对提高自动化专业学生的专业实践能力具有很重要的作用。本文针对过程控制实际发展情况和社会对过程控制工程技术人员的需求, 从教学内容及方法、实践环节等方面给出了过程控制工程课程先进性教学的具体措施和经验, 实践表明这一改革取得了良好的教学效果。

关键词：过程控制,教学改革,MATLAB