“过程装备控制技术及应用”课程教学内容改革探索

张冀翔　魏耀东　宋健斐

［中国石油大学（北京）化学工程学院　北京　102249］

0　引言

过程装备与控制工程专业（以下简称过控专业），其前身是化工设备与机械专业^［1］，2010年版教育部《普通高等学校本科专业目录》将其设置在学科门类的工学机械类下，专业代码为080206。专业名称的更改体现了过控专业发展的社会需求^［2］，不仅表明过控专业将面向更为广阔的过程工业领域，也是突出强调过控专业要成为“工艺”“机械”和“控制”的交叉学科专业。在此大背景下，各院校纷纷根据自身情况积极调整专业培养方案，增加控制类课程比重^［3］，有的实施“大专业多学科交叉”强调素质和综合能力培养，有的实施“大专业多方向”，有的将“过程装备与工艺、控制相结合”，培养宽专业口径复合型人才^［4］。

“过程装备控制技术及应用（以下简称过控技术）”作为过控专业新增设的专业基础课程，其内涵和定位在各院校之间存在很大差别，如何提高本课程教学质量一直是教学改革探索的焦点。本文根据中国石油大学（北京）过控专业培养方案和教学学时现状，在“过控技术”课程教学过程中加入“自动控制原理（以下简称自控原理）”课程的部分内容，将经典控制理论与本课程内容有机结合，探索理论、方法和应用紧密联系的教学方法，取得了较好的教学效果。

1　自控原理教学的必要性

由于受到师资力量和总体学分控制的影响，在我校过控专业的培养方案中，控制类课程一直相对薄弱，仅有一门“过控技术”作为专业基础课程。这门课程的教学基本涵盖了过程装备控制基础、过程检测技术、过程控制装置、计算机控制系统、典型过程控制系统应用方案和先进过程控制系统等多项内容^［5］，其基础正是“自控原理”。然而，由于未能开设相关先修课程，导致学生对“过控技术”的理解和掌握存在困难。为了填补这部分空白，强化专业技术基础理论的教学，本文探索了在不新开课程或增加学时的前提下，将自动控制原理^［6］与过程装备控制技术及应用^［7］有机结合，理论、方法和应用紧密联系的教学方法。

自控原理之于自动化专业，好比化工原理之于化工专业、机械原理之于机械专业，是专业核心课程。自控原理，从学科分类的角度看属于应用数学的分支，是建立在坚实数学基础上的理论学科。在实践中，若以对实际系统的控制为最终目的，是可以凭借试验和经验来学习的。但在教学中，如果也将自控原理看作是一门实验科学甚至经验科学，重视方法介绍而不是理论传授，将阻碍学生在自动控制领域能力和知识面的深化与拓展，也不利于学生在走向工作岗位后的继续学习深造。为强化“过控技术”课程的理论基础，笔者将经典控制理论的基本知识和核心思想凝练于“自控原理”，并分为“控制系统导论”、“控制系统数学模型”“时域分析法”和“根轨迹法”四章进行教学。教学过程中，注重与后续“过控技术”课程内容的有机结合，运用数学语言，使学生体验从基本数学模型出发到控制方法设计的过程，对自动控制技术的理解更加全面和系统，让学生不仅掌握工程实例和经验方法，更熟知其应用的基础和前提条件，增强了“过控技术”课程教学的逻辑性和准确性。

2　教学计划与课程内容安排

本文对“过控技术”课程改革的核心，即是增加“自控原理”的部分内容，并把相关教学内容重新排列组合。由于受到学时限制，首先需要对教学内容进行取舍。关于本次教学计划，由于过控专业非自动控制类专业，现代控制理论中的状态空间法可不做要求，考虑到学生的数学基础相对薄弱，也不会涉及基于差分方程、Z变换与脉冲传递函数的线性离散控制系统，而与之相应的计算机控制系统和先进过程控制系统的内容将只做简单介绍。尽管课堂教学与现代过程工业现场显得差距较远，但通过认识实习和实践教学环节是可以进行弥补的^［8］。其次，如果只是将“自控原理”与“过控技术”做简单的加法，不仅容易在教学内容上出现重复或遗漏^［9］，还可能造成学生“先学后忘，学而不用”，影响教学效果。为了在保证教学连贯性和相关性的同时不增加总体学时数，必须对其两者内容进行有机结合，注意基础与应用、原理与方法之间的联系，以起到良好的教学效果，如图1所示。

从教学内容关联上看，经典控制理论是理论基础，过程检测技术与过程控制装置是硬件实体，典型过程控制系统应用方案是工业案例，这三部分在整体上应做顺序安排、紧密衔接。然而根据各部分侧重点不同，又要求教师在“自控原理”与“过控技术”内容间不断穿插连接。例如，“控制系统导论”要从基本的数学方程模型出发，先点明传递函数模型仅适用于单输入单输出、连续、线性定常系统的局限性，对于典型过程控制系统应用方案，再指出多输入、多输出系统、离散系统和非线性系统需要更复杂的数学模型来描述。不仅让学生明确了传递函数模型应用的前提条件，又激发了学生的自主学习兴趣；又例如，理论学习最终要以指导工业生产为目的，通过“控制系统数学模型”和“时域分析法”的学习，学生掌握了以典型环节描述被控对象的特性参数，能够利用响应曲线和时域性能指标分析PID控制的调节规律，但在单回路控制系统的设计上，又需要回到实际工艺过程和设备，进行被控变量和操纵变量的选择和评定、测量仪表与阀门的选择和安装等工作，特别是调节器参数整定，要将理论计算法（根轨迹法）与工程整定法结合使用。在分析清楚知识体系的纵向结构后，再从时间横轴上看教学计划安排就一目了然了，整个教学计划安排以经典控制理论为基础，结合过程装备控制技术及典型过程控制系统应用方案，贯穿控制、装备与工艺三条主线，遵循理论结合实际、由简入繁的教学原则，取得了较好的教学效果。

但在舍弃的部分教学内容中，频域分析法是比时域分析法更具工程实用价值的控制系统分析手段，频域分析法和稳定性分析是控制理论的核心问题，这两部分在《过程装备控制技术及应用》教材中均未能体现，未来还需要选取参考书目，进一步增加教学内容。另外，在教学过程中要及时为学生补充相关的数学和电路电子知识，以保证教学效果。在课时安排已经相对紧张的情况下，如何兼顾好教学的质与量，亦成为值得关注的问题。

3　结束语

自动控制技术是过程工业发展的重要基础。社会经济建设要求过控专业培养通晓工艺流程、过程机械和自动控制的复合型人才。在教学过程应当充分体现本专业“以过程装备为主体，以过程和控制为两翼”的特点^［10］，而强化控制类课程教学，将是今后教学改革的方向。“过控技术”作为过控专业新增设的基础课程，与传统的“过程设备”和“流体机械”不同，在教学方面还有很大的发展与完善空间。本文尝试将“自控原理”与“过控技术”课程内容进行有机结合，在课程设计、教学内容与方法上进行改进，取得了良好的教学效果。

参考文献

［1］　涂善东.过程装备与控制工程概论［M］.北京：化学工业出版社，2009.8.

［2］　李志义，刘志军.对过程装备与控制工程专业背景的认识［J］.化工高等教育.2003，1：11-14.

［3］　左海强，张兰，刘仁桓，朱全民.过程装备与控制工程专业控制类课程教学与探讨［J］.中国教育技术装备，2012，24：82-83.

［4］　宋鹏云，胡明辅，姚建国.过程装备与控制工程和过程工程［J］.化工高等教育.2004，2：79-82.

［5］　钟如汉.提高过程装备与控制工程专业的控制系列课程质量——评《过程装备控制技术及应用》教材［J］.化工高等教育.2004，4：109-111

［6］　王永骥，王金城，王敏.自动控制原理［M］.北京：化学工业出版社，2007.8.

［7］　王毅，张早校.过程装备控制技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2007.7.

［8］　赵东亚，刘仁桓，金玉洁.关于“化工装备测控技术”课程实验教学环节的几点思考.高校实验室工作研究.2009，4：16-17.

［9］　王成刚，喻九阳，徐建民，杨红.过程装备与控制专业控制类课程教学改革的研究与实践［J］.理工高教研究.2006，5：64-65.

［10］　刘俊明，段滋华.过程装备与控制工程专业加强过程教学的认识与实践［J］.化工高等教育.2008，2：48-55.