谢成祥，张永春

(常州工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213032)

“过程控制技术”是自动化专业的一门重要的专业课程，该课程以流程工业中的生产设备为对象，以控制理论为基础，以工业自动化仪表/工业控制计算机为工具，研究生产过程自动控制系统的分析与设计，涉及对象建模、控制方案设计、仪表选型、控制器参数整定等内容，既有较强的理论性，又有很强的实践性[1-2]。

国内大多数理工科高等院校的自动化专业都开设了“过程控制技术”(或“过程控制”“过程控制系统”等)课程，该课程的宗旨是通过课程的教学，使学生能针对不同的生产过程进行单回路控制系统以及各种复杂控制系统的分析、设计、调试和整定工作，为今后从事相关工作打下坚实的基础[3-4]。

1 “过程控制技术”的教学现状分析

在“过程控制技术”的教学过程中，通常先介绍过程控制系统的构成，然后对过程控制系统的各个组成部分分别展开学习，从对象建模、变送器到执行器、调节器，接着介绍各种过程控制系统的结构、分析和设计以及控制器参数的整定，最后，介绍1～2个过程控制系统的实例。这样的教学过程存在以下问题：教师偏重于知识的传授，忽视了学生独立分析问题和解决问题能力的培养；复杂、抽象的概念多，纯粹的理论公式推导多，缺乏工程应用背景，因此，容易使学生失去兴趣；缺少工程实际问题的实例讲解，教学针对性差，导致学生不能很好地把握控制方法的设计原则和设计过程，对一般性和原则性的知识理解困难。

“过程控制技术”是实践性较强的课程，要求学生在学好理论的同时，还要有较强的动手能力，因此，必须要重视课程的实践教学。在以往的实践教学过程中，教学内容多以验证性实验项目为主，实验过程中按部就班，流于形式，学生的主动性不足，独立思考能力、创新能力的提高受到极大的限制，因此需要对实验教学模式进行改革，激发学生的主动性和团队协作意识，以提高学生的创新能力和实践能力。

上述现状表明，传统的教学方法不利于培养学生的工程观念，难以适应用人单位的需要。为改变这种现状，我们结合已有的实验设备，合理选择教学内容，引入适当的案例，采用案例教学法，以提高学生的学习效率，开拓学生的工程视野，提高学生的整体把握能力，改善教学效果。

2 案例教学及其特点

案例教学法最早由美国哈佛大学商学院提出。教学中采用案例教学法，能够实现教学相长，调动学生的学习主动性，该方法生动具体、直观易学，同时能够集思广益。在案例教学过程中，教师一方面是教学过程的主导者，掌握着教学进程，组织学生进行讨论研究，引导学生思考并进行总结、归纳，另一方面，在教学过程中，通过丰富多样的教学形式，吸引学生在课堂上的注意力，有利于学生始终保持较好的精神状态。由于教学内容是具体的实例，配合形象、直观、生动的形式，有身临其境的感觉，易于理解。教师在课堂上不再是一言堂，而是参与到学生的讨论思考中，同时，学生在课堂上也不局限于记笔记，而是积极投身到问题的共同探讨中。由于能够调动集体的智慧和力量，容易开拓思路，从而收到良好的教学效果。

案例教学法具有5个特点。1)具有明确的目的性。通过对案例的阅读、思考、分析和讨论，学生可以建立起适合自己的逻辑思维方式，提高分析和解决工程实际问题的能力。2)客观真实性。案例的真实性决定了案例教学的真实性，学生可以根据自己所学的知识内容，得出自己的结论。3)较强的综合性。学生不仅需要具备必要的理论知识，而且还需要综合利用所学知识来解决实际问题。4)深刻的启发性。案例教学的目的是启发学生自主地去思考，它注重培养学生的独立思考能力，使学生建立起一套分析、解决问题的思维方式。5)教学过程的交互性。在教学过程中存在教师和学生的交互，学生个体之间、学生群体之间的交互[5]。

鉴于案例教学法的特点，结合“过程控制技术”课程工程实践性强的特点，我们精心安排了教学内容，适当引入相关案例，使学生可以根据有工程背景的实际案例，把理论与实践有机地结合起来，从而激发学生思考和钻研，提高学生的学习积极性和主动性，帮助学生灵活运用理论知识去分析和解决工程实际问题，最终提高工程实践能力。

3 案例教学的具体实施

为在“过程控制技术”课程的教学过程中引入案例教学，我们优化了课程的结构和知识体系，以适应教学时数减少的教学需要。在教学内容的选择上，针对过程控制的特点，深入研究教材，确定教学的重点内容。以过程控制系统的结构和组成→过程控制对象的特性分析→过程控制系统的方案设计→过程控制系统的投运和参数整定为主线，同时跟踪技术前沿，经研究、整理后提炼出必要的内容充实到教学过程中。我们在教学过程中不拘泥于教材，而是对教材内容做有机的增删取舍，如：舍弃各类过程参量传感器的工作原理，侧重于过程检测仪表选型和应用场合方面的内容；在执行器方面，除了传统的气动和电动执行器之外，增加变频器技术及其应用；在过程控制理论方面，则删除一些与自动控制原理有重复的内容，偏重于理论在实际工程中的应用分析。

确定好教学内容后，结合实验室中的过程控制实验装置，精心选择教学案例，采用问题式、启发式方法引导、启发学生思考，使其掌握学习新知识的正确方法。本文选取了3个具体案例来说明“过程控制技术”课程案例教学的实施。

案例1：被控对象的小偏差增量化线性模型。过程控制中的被控对象一般都具有非线性，而小偏差线性化则是应用非常普遍的一种线性化方法，该方法的核心有2个，一是平衡工作点，二是工作点附近的小偏差近似线性化，然后得到增量化线性模型。该建模过程本身并不复杂，但增量化线性模型这一概念比较抽象，学生往往难以理解这个概念。针对这种情况，在讲授这个知识点的时候，用一个单容水箱作为研究对象，首先做出一些合理的假设，然后建立起严格的非线性数学模型，利用泰勒级数展开法，借助于小偏差的概念，得到近似的线性化模型，将非线性模型和线性模型在MATLAB/SIMULINK中表示出来，如图1所示。

图1 系统非线性模型与线性化模型对比仿真结构图

通过仿真，找出某种条件下的平衡点，通过相关仿真曲线介绍平衡点的概念。接着，在平衡的情况下，对输入信号(通常为进水阀门的开度)施加一个不大的阶跃，得到从一个平衡点到另外一个平衡点的过渡过程曲线，并将此过渡过程曲线与线性化模型的阶跃响应曲线作比较，由两条曲线得到相关增量的概念，从而使学生领会线性化模型的响应就是系统的增量化响应。进一步，可以改变输入阶跃幅度，观察当对象输入阶跃幅度增大时，线性化模型的响应曲线与非线性模型过渡过程曲线的变化，会发现线性化模型替代对象实际模型时，精度越来越差，从而领会小偏差线性化模型真谛，理解线性化模型的适用范围。在非线性模型仿真时，大幅度改变平衡点的位置，然后施加同样幅度的阶跃，观察非线性模型的响应与线性化模型的响应，由此分析平衡点的变动对线性化模型精度的影响，进一步强调所谓的小偏差是某个平衡点附近的小偏差，使学生更好地理解小偏差的工程意义，明确线性化模型的适用范围。

案例2：单回路控制系统的构成与设计。单回路控制系统是最简单的过程控制系统，虽然结构比较简单，但在教学过程中，特别是在实验教学中发现，学生面对一个被控对象和给定的要求，制订控制方案时仍心里没底。控制方案确定后，给定仪表，利用现有设备独立组成一个单回路控制系统时，学生有无从下手的感觉。课堂讲授时，学生表示对构成系统的方框图都能理解，但从方框图转换到实际工程就难以理解。针对这种情况，我们在实验教学时，结合实验项目这个案例，要求学生事先做好预习，采用启发式教学方法，通过一系列的提问引导学生回顾单回路控制系统的组成部分和设计原则，在实验装置上找到与方框图对应的控制系统组成的事物，从控制柜上找到各自对应的信号输入/输出点，引导学生连接相应的信号，从而构成一个完整的单回路控制系统，同时，为后面的串级控制系统、前馈控制系统等实验的顺利开展打下了较好的基础。

案例3：过程控制系统的参数整定。控制器参数的整定是保证系统按预定规律运行的保障，也是过程控制系统投运前的重要一环，以工程整定方法为主。教师在讲解这一部分时，往往结合自动控制原理，从影响系统控制品质的因素出发，研究PID参数对系统品质的影响，学生理解比较困难，在进行实验时，尽管教材上给出PID参数的具体整定步骤，但由于理解程度不够，遇到具体情况时，还是不知道如何去调整。为此，在课堂讲授时，利用之前得到的数学模型，用MATLAB/Simulink构建仿真模型，按照整定的步骤得到PID参数变化时，系统响应曲线的变化情况，并针对这种变化情况提出问题：为什么会出现这种情况？引导学生思考，回顾复习自动控制原理中的相关内容。这样，通过这部分的学习，不仅使学生掌握了PID参数整定的步骤，同时还使学生了解PID参数对系统的控制品质有什么影响，建立了PID控制的感性认识。实验过程中，学生针对实验中的具体情况，普遍能采取合适的措施。通过这样的案例讲解，不仅使学生对PID控制规律有了深刻的理解，而且使学生对PID的作用、应用场合以及调整方法和理论依据有了更深入的了解。

除了上述案例之外，在该课程的教学过程中，还引入了串级控制、前馈控制等案例，限于篇幅，在此不再一一叙述。

4 实施案例教学的效果与问题反思

在教学过程中结合案例，将知识点与工程实际相对照，能做到条理清晰、重点突出，同时，给予了学生思考的空间，启发了学生的思维，加强了与学生的互动，激发学生的学习热情和学习兴趣，提高了教学效果。在案例教学中结合仿真软件，为学生课外自主研学、理论与实践相结合提供了一种有效途径，便于学生由课内学习进一步向课外研究延伸。通过与学生的互动，教师也能及时获得学生学习情况的反馈，从而加强与学生的交流与沟通，使得课堂教学张弛有度，气氛和谐。

经过对近两届学生的实践，学生对案例教学法普遍反映较好，学习兴趣有了明显提高。学生不仅对该课程的知识脉络理解较为深刻，而且对相关知识的应用场合、能够解决的问题等等都有较好地掌握，同时对自动化专业的认识也有了进一步的提高。课程中涉及的控制系统设计的思路、过程和原则，以及控制器参数的整定方法也被学生拓展应用到其他课程如“自动控制系统”等的学习过程中，起到了一定的辐射作用。从学生的反馈也可以发现，通过案例教学，他们的工程实践能力有了提高，能够从工程应用的角度来发现并解决问题。

尽管取得了不错的教学效果，但在实施案例教学的过程中，也发现了一些问题。第一，无法兼顾到所有学生。因为是合班上课，学生人数较多，比较认真、勤奋的同学在交互讨论时比较积极，问题能很快得到解决，但对反应慢的，甚至主动性不强、不愿意积极思考的学生，他们的学习效果提升不明显。第二，如何更好地充分利用教学时数，有效地完成教学大纲规定内容的教学仍是需要解决的一个问题。从实施过程看，案例教学相比于传统的教学需要更多的时间，因此，在教学内容上就有所倾斜，导致影响课程其他内容的教学。第三，案例选择的合理性需要进一步改进，部分案例的工程背景不太令人满意，在一定程度上影响了教学效果。

5 结语

本文探讨了“过程控制技术”课程的案例教学。由于案例教学所具有的启发性、互动性特点，通过具体的案例，有效地调动了学生的积极性和主动性，提高了学生对课程相关内容的理解和掌握程度，促进了理论与工程实践、理论教学与实验教学的相互结合和相互促进，也培养了学生的探索和创新意识。今后，还应当在案例的选择以及具体实施方法上做更加深入的研究，以获得更好的教学效果。