“過程裝備控制技術及應用”課程教學內容改革探索

張冀翔　魏耀東　宋健斐

［中國石油大學（北京）化學工程學院　北京　102249］

0　引言

過程裝備與控制工程專業（以下簡稱過控專業），其前身是化工設備與機械專業^［1］，2010年版教育部《普通高等學校本科專業目錄》將其設置在學科門類的工學機械類下，專業代碼為080206。專業名稱的更改體現了過控專業發展的社會需求^［2］，不僅表明過控專業將面向更為廣闊的過程工業領域，也是突出強調過控專業要成為“工藝”“機械”和“控制”的交叉學科專業。在此大背景下，各院校紛紛根據自身情況積極調整專業培養方案，增加控制類課程比重^［3］，有的實施“大專業多學科交叉”強調素質和綜合能力培養，有的實施“大專業多方向”，有的將“過程裝備與工藝、控制相結合”，培養寬專業口徑復合型人才^［4］。

“過程裝備控制技術及應用（以下簡稱過控技術）”作為過控專業新增設的專業基礎課程，其內涵和定位在各院校之間存在很大差別，如何提高本課程教學質量一直是教學改革探索的焦點。本文根據中國石油大學（北京）過控專業培養方案和教學學時現狀，在“過控技術”課程教學過程中加入“自動控制原理（以下簡稱自控原理）”課程的部分內容，將經典控制理論與本課程內容有機結合，探索理論、方法和應用緊密聯系的教學方法，取得了較好的教學效果。

1　自控原理教學的必要性

由于受到師資力量和總體學分控制的影響，在我校過控專業的培養方案中，控制類課程一直相對薄弱，僅有一門“過控技術”作為專業基礎課程。這門課程的教學基本涵蓋了過程裝備控制基礎、過程檢測技術、過程控制裝置、計算機控制系統、典型過程控制系統應用方案和先進過程控制系統等多項內容^［5］，其基礎正是“自控原理”。然而，由于未能開設相關先修課程，導致學生對“過控技術”的理解和掌握存在困難。為了填補這部分空白，強化專業技術基礎理論的教學，本文探索了在不新開課程或增加學時的前提下，將自動控制原理^［6］與過程裝備控制技術及應用^［7］有機結合，理論、方法和應用緊密聯系的教學方法。

自控原理之于自動化專業，好比化工原理之于化工專業、機械原理之于機械專業，是專業核心課程。自控原理，從學科分類的角度看屬于應用數學的分支，是建立在堅實數學基礎上的理論學科。在實踐中，若以對實際系統的控制為最終目的，是可以憑借試驗和經驗來學習的。但在教學中，如果也將自控原理看作是一門實驗科學甚至經驗科學，重視方法介紹而不是理論傳授，將阻礙學生在自動控制領域能力和知識面的深化與拓展，也不利于學生在走向工作崗位后的繼續學習深造。為強化“過控技術”課程的理論基礎，筆者將經典控制理論的基本知識和核心思想凝練于“自控原理”，并分為“控制系統導論”、“控制系統數學模型”“時域分析法”和“根軌跡法”四章進行教學。教學過程中，注重與后續“過控技術”課程內容的有機結合，運用數學語言，使學生體驗從基本數學模型出發到控制方法設計的過程，對自動控制技術的理解更加全面和系統，讓學生不僅掌握工程實例和經驗方法，更熟知其應用的基礎和前提條件，增強了“過控技術”課程教學的邏輯性和準確性。

2　教學計劃與課程內容安排

本文對“過控技術”課程改革的核心，即是增加“自控原理”的部分內容，并把相關教學內容重新排列組合。由于受到學時限制，首先需要對教學內容進行取舍。關于本次教學計劃，由于過控專業非自動控制類專業，現代控制理論中的狀態空間法可不做要求，考慮到學生的數學基礎相對薄弱，也不會涉及基于差分方程、Z變換與脈沖傳遞函數的線性離散控制系統，而與之相應的計算機控制系統和先進過程控制系統的內容將只做簡單介紹。盡管課堂教學與現代過程工業現場顯得差距較遠，但通過認識實習和實踐教學環節是可以進行彌補的^［8］。其次，如果只是將“自控原理”與“過控技術”做簡單的加法，不僅容易在教學內容上出現重復或遺漏^［9］，還可能造成學生“先學后忘，學而不用”，影響教學效果。為了在保證教學連貫性和相關性的同時不增加總體學時數，必須對其兩者內容進行有機結合，注意基礎與應用、原理與方法之間的聯系，以起到良好的教學效果，如圖1所示。

從教學內容關聯上看，經典控制理論是理論基礎，過程檢測技術與過程控制裝置是硬件實體，典型過程控制系統應用方案是工業案例，這三部分在整體上應做順序安排、緊密銜接。然而根據各部分側重點不同，又要求教師在“自控原理”與“過控技術”內容間不斷穿插連接。例如，“控制系統導論”要從基本的數學方程模型出發，先點明傳遞函數模型僅適用于單輸入單輸出、連續、線性定常系統的局限性，對于典型過程控制系統應用方案，再指出多輸入、多輸出系統、離散系統和非線性系統需要更復雜的數學模型來描述。不僅讓學生明確了傳遞函數模型應用的前提條件，又激發了學生的自主學習興趣；又例如，理論學習最終要以指導工業生產為目的，通過“控制系統數學模型”和“時域分析法”的學習，學生掌握了以典型環節描述被控對象的特性參數，能夠利用響應曲線和時域性能指標分析PID控制的調節規律，但在單回路控制系統的設計上，又需要回到實際工藝過程和設備，進行被控變量和操縱變量的選擇和評定、測量儀表與閥門的選擇和安裝等工作，特別是調節器參數整定，要將理論計算法（根軌跡法）與工程整定法結合使用。在分析清楚知識體系的縱向結構后，再從時間橫軸上看教學計劃安排就一目了然了，整個教學計劃安排以經典控制理論為基礎，結合過程裝備控制技術及典型過程控制系統應用方案，貫穿控制、裝備與工藝三條主線，遵循理論結合實際、由簡入繁的教學原則，取得了較好的教學效果。

但在舍棄的部分教學內容中，頻域分析法是比時域分析法更具工程實用價值的控制系統分析手段，頻域分析法和穩定性分析是控制理論的核心問題，這兩部分在《過程裝備控制技術及應用》教材中均未能體現，未來還需要選取參考書目，進一步增加教學內容。另外，在教學過程中要及時為學生補充相關的數學和電路電子知識，以保證教學效果。在課時安排已經相對緊張的情況下，如何兼顧好教學的質與量，亦成為值得關注的問題。

3　結束語

自動控制技術是過程工業發展的重要基礎。社會經濟建設要求過控專業培養通曉工藝流程、過程機械和自動控制的復合型人才。在教學過程應當充分體現本專業“以過程裝備為主體，以過程和控制為兩翼”的特點^［10］，而強化控制類課程教學，將是今后教學改革的方向?！斑^控技術”作為過控專業新增設的基礎課程，與傳統的“過程設備”和“流體機械”不同，在教學方面還有很大的發展與完善空間。本文嘗試將“自控原理”與“過控技術”課程內容進行有機結合，在課程設計、教學內容與方法上進行改進，取得了良好的教學效果。

參考文獻

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