《化工过程控制工程》课堂教学与体系的改革_课堂教学

《化工过程控制工程》课堂教学与体系的改革

由于本课程的特点是实践性强。近年来为了提高学生素质，注重能力培养， 在提高课堂教学质量的基础上，对原有的课程设置的内容及实践环节进行了多方 面的改革，主要思路是：跟上信息时代发展的步伐，减少常规课堂教学内容，加 强工业计算机应用及现代控制理论应用方面的知识；
口强实验与实践环节的教学， 并初步摸索出一套成功的教学方式。具体做法是：
一、课堂教学与体系的改革 缩减原《化工过程控制工程》的课堂教学学时，将原来的80学时减至48 学时，将原课程内的“工业计算机控制”方面内容抽出，增加48学时的《计算机控 制技术》必修课程，为适应新技术的发展，同时增加30学时的《先进控制技术》 与48学时的《控制系统集成设计》课程作为选修课，以培养综合性的、开拓性的 人才。

二、实验室建设与改造 “化工过程控制工程"是一门工程技术科学，一名优秀的控制工程师必须既 具有坚实、广泛的基础理论知识，又具有工程技术实践水平。为此该学科应该在 给学生提供一个连续良好的理论学习环境的同时，也必须给学生提供一个相对完 整的工程实践环境。教师不但要将相关的理论和技术知识传授给学生，更要使学 生在校期间通过工程和实践环节的锻炼，学会解决和处理本专业技术工程问题的方法。因此对于实验室建设与改造这方面工作，我们一直作为《化工过程控制工 程》课程改革的重点，并坚持“工程化”第一位的原则。实验装置的设计、仪表的 选型、控制柜的设计、包括控制系统的安装都与工业实际保持一致，并根据教学、 科研需要，总结了已有实验室装置和市场上有关产品的特点，自行设计制造了五 套多功能实验装置。该装置使用了目前工厂中常用的比较先进又极具有代表性的 仪表设备，可以完成控制工程、系统辨识、自适应控制、计算机控制技术、模糊 控制、预测控制等多方面的实验。实验装置控制柜设计时，充分考虑控制工程工 业应用的特点，整个系统选用了三种控制器。计算机、PLC和数字调节器可以分 别对系统进行控制，系统可以组成简单的仪表控制方案、PLC控制方案和DDC控 制方案，也可以组成复杂的SPC控制方案和DCS控制方案；
选用的控制器和检测 仪表具有多样性、可靠性等特点，并可以方便的组成各种控制方案。

另外，去年学校又投资了100万元，订购了10套先进的教学实验装置，现 也已投入教学应用中。

三、教学实践环节的改革 目前过程控制专业不仅成为通用的自动化专业，而且是与高新技术发展密 切相关的，当前随着计算机技术和网络技术的飞速发展，集散控制系统（DCS） 现已经发展成为工业生产过程自动控制装置的主流，为工业自动化开辟了广阔的 发展空间。DCS是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术 和人机接口技术相互发展和渗透而产生的。它既不同于分散型的常规仪表检测技 术也不同于集中式的计算机控制系统，而是吸收两者的优点，在其基础上发展起 来的一种先进的系统工程技术。由于它的投资较大，系统复杂，因此各高校在此 方面的研究，往往落后于生产实际，但学生迫切需要掌握此方面的知识，为此我 们増加了一周“控制工程综合实验”，利用现有的设备来模拟工业实际应用技术。

由于我们在实验装置控制系统设计时的现场控制级，采用了带有通讯功能 的单回路数字调节器和可编程控制器（PLC），利用其通讯功能和个人PC机组成 小型集散控制系统。开设出DCS集散控制系统综合实验，用装有“MCGS监控系 统”组态软件的个人PC机作为操作、管理级与可编程控制器（PLC）组成的过程 控制级，来模拟一套DCS系统控制实验室的“双溶液位水槽”物理实验设备作为具 体示例，以使学生熟悉DCS系统的组成、操作、使用与开发。在这个实验环节中， 指导教师提出建议并给学生制定实验目的和大体思路，让学生自己拿出控制方案， 用组态软件完成DCS操作站在工业控制中的主要功能（如总貌显示、回路显示、 趋势显示、流程显示、报警显示和操作指导等）同时在实验室设备上进行实际操作通过。这样在整个综合实验环节里，使学生得到了实现一个控制工程项目的全 过程训练。学生通过对控制系统的监控组态软件的使用与现场控制信息的连接， 制作本实验装置的画面及控制系统的组态工作，构成所需的软件进行实时监控操 作，较好的掌握了DCS集散系统在工业上的应用方法。同时对新技术的应用与发 展有了的深刻的理解为学生今后的工作奠定了基础。

工科院校自动化专业的学生最终的走向应该是工矿，企业和科研机构， 《化工过程控制工程》课教学的目的就是将在此之前学习的自动化和与其相关的 理论课程和技术课程同实际被控过程有机地结合起来，用已学过的理论完成对生 产过程系统的有效的控制。从这个意义上讲应该重视与切实搞好学生的课程实践 环节，在这个思路的基础上，对于《化工过程控制工程》的实践环节课程：自控 工程设计（两周）与生产实习（三周）两部分，我们除了与对口企业联系，让学 生到生产一线进行实践外，还利用学校建立供热中心的机会将此供热中心建成学 生实习基地，为此学校额外投入100多万元，由教师自行设计、安装和调试完成 了两套工业燃煤锅炉的仪表及计算机控制。这样为学生的实践环节提供了非常方 便的实习场所。

四、努力改善教学条件和方法 （一）加强教材建设 （二）加强网络教学与交流 过去学生在学校里主要是依赖于教科书和教师的讲解以及少量的实验来 获取工程课知识，其中往往存在内容简单、直观性差等问题，从而影响学生对工 程课的深入了解。尤其是自动化专业的主干课“化工过程控制工程”，它包含大量 的工程实践内容，因此迫切需要解决理论与实践、教学与实验的问题。利用计算 机构造了《化工过程控制工程》多媒体计算机仿真教学系统，通过校园网可供学 生进行高效率的学习，使想像变为形象，使不可见变为可见，教和学都显得容易， 还可使学校和个人只花少量的钱能开出丰富、教学质量高的实验。“化工过程控 制工程”多媒体教学课件，它的内容覆盖的知识全面，所选择的控制对象、控制 系统都具有广泛的代表性。

教学系统部分主要组成单元有：1.概述，2.闭环控制，3.系统仿真，4.自控 设计，5.课后练习，6.网络交流。这些多媒体教学软件的组织是我们将几十年的 课程教学、实验、实践，总结出一些基本教学内容，组成计算机教学课件，所选择的控制对象、控制系统都具有广泛的代表性。闭环控制方式采用实用性很强的 PID控制，并能进行参数整定，做出过渡过程曲线仿真显示。对现代控制理论的 应用（如多变量解耦、模糊优化控制等）也进行了实际工业对象的仿真，对其的 各种算法可灵活的进行参数整定，仿真结果由微机的CRT显示。

这些教学软件，既以可在多媒体教室，进行课堂教学，也可以在实验室与 相应硬件设备相连开实验，克服理论与实践相脱节问题，使学生通过这些教学软 件的操作，掌握PID控制系统的参数整定方法；
计算机控制技术应用；
现代控制 理论算法研究与应用。这样在课堂上，教师先通过这套多媒体教学软件的演示， 使学生对工程实际的控制与问题的计算机仿真处理，具有感性认识后，再进行物 理模拟设备实验，从而很好的解决了对工程实际技能的培养。试用两年获得学生 的好评，同时获得校首届“多媒体教学课件大赛”一等奖、第六届“全国多媒体教 学课件大赛（高教组）”优秀奖。

五、结束语 在青岛科技大学各级领导的支持与帮助下，通过六年的课程改革工作，把 课堂讲授、实验、课程设计、综合实验、生产实习密切结合为一个有机体将实践 与理论相结合形成了立体交叉式的教改方案，并主要加强实践环节教学，使学生 的各种能力得到训练，増强了新科学技术的掌握和处理实际工程的能力，在这些 方面我们已取得了一些实际性的突破与成绩。

我们的主要做法是：（1）改革教学内容与课程体系，形成了一套教改方 案；
（2）采用现代教育技术，健全了教学文件和教学资料；
（3）推动了学科的 发展和专业教学的深入，改变了原有的人才培养模式；
（4）推动了实验室的建 设，建立实习基地，提高学生的实际工作能力。

以上是我们在化工过程控制工程课程教学改革与建设中，所作的一点探索 与努力，有很多不完善的地方，今后应以务实的态度、创新的精神、高效的作风、 开放的理念，投身到教学改革实践中去，不辜负国家与人民的重托，努力搞好教 育事业。

作者：杨为民（青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东青岛 266042）