“过程控制仪表及装置”课程综合仿真实验设计与教学

王茜 李烁

[摘 要] 实验教学是大學教学的重要组成部分，是理论知识与实践的结合，如何突破传统实验教学的瓶颈，结合课程特点探索出高质量的实验教学方法具有重要意义。针对“过程控制仪表及装置”的课程内容及课程特点，在控制仪表及装置的实验中增加了基于Matlab的控制系统综合仿真实验。在教学方法上采用混合式教学方法，使学生成为学习活动的主体，有利于提高学生学习的主动性。通过以上实验设计及混合式教学方法加深了学生对所学知识的理解，培养学生的综合应用能力、创新能力及自主学习能力。

[关键词] 实验教学;控制系统;混合式教学;综合仿真实验

[基金项目] 2020年度杭州电子科技大学教育教学改革研究资助项目“注重学生能力培养及提升的‘过程控制仪表及装置课程教学研究与实践”（YBJG202083）;2016年度国家自然科学基金项目“执行器饱和系统的新型增益调度控制理论研究及其应用”（61503105）;2020年度杭州电子科技大学教育教学改革研究资助项目“基于‘翻转课堂的‘工程复变函数与积分变换教学改革与实践”（YBJG202078）

[作者简介] 王 茜（1985—），女，吉林长春人，博士（后），杭州电子科技大学自动化学院副教授（通信作者），主要从事控制理论及教学研究;李 烁（1991—），女，江西抚州人，博士，杭州电子科技大学自动化学院讲师，主要从事控制理论及教学研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）29-0129-04    [收稿日期] 2021-02-07

2015年10月国务院印发了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案的通知》，通知中指出，培养拔尖创新人才。坚持立德树人，突出人才培养的核心地位，着力培养具有历史使命感和社会责任心，富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才。加强创新创业教育，大力推进个性化培养，全面提升学生的综合素质、国际视野、科学精神和创业意识、创造能力。……完善质量保障体系，将学生成长成才作为出发点和落脚点，建立导向正确、科学有效、简明清晰的评价体系，激励学生刻苦学习、健康成长。人才培养是高校的根本使命，也是社会发展的内在要求。高校作为人才培养基地，承担着知识传授、能力培养、思想价值观的树立等重要使命，同时也是践行社会主义核心价值观的主阵地。***总书记指出“教育兴则国家兴，教育强则国家强。高等教育是一个国家发展水平和发展潜力的重要标志。今天，党和国家事业发展对高等教育的需要，对科学知识和优秀人才的需要，比以往任何时候都更为迫切。”随着科学技术的进步，特别是在互联网、大数据、超级计算、区域链、脑科学等新理论技术发展的大环境下，高校人才培养模式也要与时俱进，做出新的调整，构建人才培养新模式。高校人才培养模式的改革势在必行，迫在眉睫。实验教学是大学教学的重要组成部分，是理论知识与实践的结合，如何突破传统实验教学的瓶颈，结合课程特点探索出高质量的教学方法具有重要意义。

“过程控制仪表及装置”是自动化专业的重要专业课，面向笔者所在院校自动化专业三年级学生讲授，是一门偏技术应用的课程。本课程系统简明地阐述过程控制与自动化仪表的概念体系、典型的过程检测和控制仪表的工作原理和工作性能、常规控制方案的确定和分析等。通过本课程的学习可以使学生了解和掌握典型的过程检测和控制仪表的工作原理和工作性能，并能根据生产过程的特点和控制要求，选用适当的自动化仪表或计算机，组成实用型过程控制系统，并使学生初步掌握系统工程设计的思想和方法。先修课程为电路原理、自动控制原理、高等数学。本课程实验主要包括自动化仪表与系统认知实验、气动执行器实验、差压变送器实验/流量计实验、上水箱液位PID整定实验等四个实验。现有实验存在的主要问题是：（1）实验对于时间、地点、仪器设备的依赖性较强，学生需要在规定的时间和地点在规定的设备上按照实验指导书的步骤完成实验;（2）实验过程一般由预习实验指导书、完成实验、提交实验报告等三个环节，大多数学生是按部就班地根据实验指导书的步骤完成实验，学生学习的被动性较强。实验教学方面存在的主要问题是以教师教授为主，学生被动接受知识。这种教授方式以教师为主导，教师就实验中存在的共性问题进行讲解。以教授为主的教学方式很容易变成“满堂灌”“填鸭式”的课堂，导致课堂气氛沉闷、学生学习积极性低。通过课堂调查，大部分学生对于如何利用所需知识设计控制系统，并给出仿真验证是没有明确思路的。但是，学生不想停留在只会做题，希望能利用所需的专业知识具体去设计控制系统并给出控制系统的性能分析。针对以上问题教师设计实验内容时，需在原实验内容的基础上增加基于MATLAB的控制系统综合仿真实验，在教学方法上采用混合式教学方法。基于MATLAB的仿真实验不受时间、地点、设备的限制，并且运用混合式教学方法，使学生成为学习活动的主体，有利于提高学生学习的主动性。同时，通过查阅资料，加深学生对所学知识的理解，培养学生的综合应用能力、创新能力及自主学习能力。

一、基于MATLAB的综合仿真实验设计

实验目的：学会应用MATLAB软件对常规单闭环系统进行仿真分析。实验设备：一台装有MATLAB软件的计算机。实验内容：针对给定的系统G（s）=■，设计状态反馈控制器和带状态观测器的状态反馈控制器保证闭环系统是渐近稳定的。（1）应用MATLAB软件进行仿真，画出系统的状态曲线图及控制输入曲线图。并根据得到的仿真结果，对控制系统的性能进行分析。（2）当控制输入有界的情况下，应如何调整控制方案。该部分内容，以小组为单位，通过课下调研及分析，给出控制方案或解决办法。实验原理：简单控制系统一般由被控对象、执行器、控制器、检测变送器等四个环节组成，如下图所示。

控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。