專業學位研究生化工裝備與控制研究

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[摘要]案例教學是提升工程類專業學位研究生工程實踐和創新能力的重要方法。通過對課程案例庫建設背景和意義的分析，構建了包含10個典型案例的化工自動化案例庫，并將其應用于專業學位研究生課堂教學實踐，提出了案例庫需要改進的建議，為專業學位研究生工程案例教學提供實踐經驗。

[關鍵詞]專業學位；研究生教育；化工裝備與控制；案例教學；案例庫

案例教學法是以案例為核心的教學方法。國內早在春秋戰國時期就有大量的民間故事可以看做是最早的案例，比如“紙上談兵”、“朝秦暮楚”、“臥薪嘗膽”等眾多廣為流傳的典故。國外使用案例教學大致可以追溯到古希臘羅馬時期，代表人物如蘇格拉底、柏拉圖等。現代意義的案例教學法特指20世紀初由美國哈佛大學商學院倡導的一種廣受學生好評的教學方法，沿用至今[1]。與傳統教學方法相比，案例教學法具有探究性的特點，還具有如下作用：(1)可以提高學生的創新意識和創新能力；(2)可以提高學生分析和解決問題的能力；(3)可以提高學生學習的自主性[2]。案例教學法通常在管理學、法學等人文管理類學科廣泛應用，進入21世紀以后，隨著我國教育事業的不斷發展，工程類案例教學法在高等院校工科類課程，如《化工原理》[3]和《化工過程控制》[4]，也獲得了較大的成功。專業學位研究生案例教學近年來得到國家的高度重視[5]，《教育部關于加強專業學位研究生案例教學和聯合培養基地建設的意見》(教研[2015]1號)指出：提高工程碩士工程實踐能力的一個重要途徑是在實踐教學中積極引入和重視案例教學，大力加強案例庫建設[6]。通過化工自動化案例庫的開發和建設，可以加深學生對重要知識和基礎概念的理解，提高教學質量。案例教學通過案例來深入展示各知識點之間的內在關聯，調動學生學習的積極性，提高學生的自學能力，培養學生獨立思考、分析、歸納和整理資料的能力，培養學生的創新意識和動手解決問題的能力。此外，以學生為中心開展案例教學對于提高教師的授課水平和授課內容的深度具有積極的推動作用。南京林業大學全日制專業學位研究生培養方案涵蓋林業、機械、電子信息和材料與化工等15個專業類別，其中材料與化工專業包含材料工程、林業工程、木竹結構材料與工程、生物質材料與工程、化學工程、輕工技術與工程6個領域方向。化工裝備與控制是輕工技術與工程下屬的一個重要研究方向，滿足輕化工程行業發展對人才培養的要求，主要研究化工裝備、自動控制、設備監測、故障診斷。本文就化工裝備與控制方向專業學位研究生課程案例庫的建設思路和經驗做法介紹如下。

1化工自動化案例庫介紹

1.1化工自動化案例庫相關的研究生課程介紹

化工自動化案例庫涉及到的研究生課程主要有《化工過程計算機仿真》、《化工過程動態分析與控制》、《現代造紙機械監診學》、《多元統計過程監測》。這些課程(1)集成了化工原理、控制理論、計算機仿真等學科知識，是現代化工、輕工及環境等相關學科工藝控制、設計的基礎，具有應用范圍廣、實踐性強等特點；(2)較全面地覆蓋到了化工過程的建模、仿真、控制、監測以及故障診斷等主要知識模塊。建模模塊要求學生掌握典型化工過程動態數學模型的建模方法，一階過程、二階過程以及復雜過程的動態特性，Matlab/Simulink仿真等；控制模塊要求學生重點掌握PID控制器的參數對控制性能的影響及其整定方法，在此基礎之上，還要求學生掌握前饋控制、比值控制、串級控制、多回路和多變量控制等復雜、先進的控制策略；監測及故障診斷模塊要求學生掌握傳統單變量質量控制圖方法(如休哈特控制圖、累積和控制圖)、多元統計過程監測技術(比如主成分分析法、偏最小二乘法)等。

1.2化工自動化案例庫與雙語教學相互促進

提升雙語教學效果是高等教育研究中的一個重要課題，本教學團隊在已有的本科雙語課程教學經驗[7,8]基礎之上，在研究生課程教學中積極引入國外優秀教材，主動開展雙語授課。經過幾個學期的探索，取得了良好的教學效果，學生英語水平和專業知識都得到了明顯的提升，雙語教學的經歷對其今后從事的科研工作也起到了較大的促進作用。化工自動化案例庫在開發的過程中借鑒了大量國外優秀教材中的經典例題。比如，《化工過程動態分析與控制》課程采用Seborg教授等編著的ProcessDynamicsandControl第二版[9]。化工自動化案例庫中關于PID控制器參數整定的部分案例即來自于書中的例題。在實際教學講解例題的時候，學生不但可以親自動手研究、觀察例題中的默認參數對結果的影響，還可以隨意改動模型參數，觀察現象，總結規律。通過案例的學習，可以加深學生對于PID控制器參數整定知識的理解，進而激發學生的學習興趣。

2化工自動化案例庫內容及典型案例分析

2.1化工自動化案例庫內容

通過化工自動化案例庫的開發及其在教學實踐中的使用和逐步完善，引導學生對化工典型過程的建模、優化、控制及監測等方面進行深入學習，提高學生對實際問題的分析判斷和處理能力。案例的來源主要有國內外經典化工自動化教科書上的重要例題以及化工自動化領域參考文獻中的經典論文。經過一個學期的開發，教學團隊已經開發出10個應用案例(表1)。

2.2化工自動化典型案例分析

廢水處理過程多元統計分析現代廢水處理過程是一個集合多變量、強耦合、強非線性、強動態多種特性于一身的復雜系統。廢水處理工藝復雜、設備繁多、參數相互關聯度高，在實驗教學中難以全方位、多角度地展示參數設置對生產過程與產品質量的影響。隨著活性污泥數學模型的成熟和計算機仿真技術的發展，可以通過計算機仿真來模擬活性污泥污水處理過程，研究活性污泥法污水處理工藝、過程控制算法和控制策略。仿真模擬是污水處理系統設計中不可或缺的步驟，通過仿真模擬可以大大縮短工藝設計的周期和難度，也可以降低工藝設計的成本。此外，通過模擬仿真也可以為工藝的改造以及控制系統的設計提供有益的參考，模擬仿真還可以輔助維持污水處理的運行，預測可能發生的事故。受實驗條件及教學課時的限制，傳統的實驗教學只能選取參觀、實習的學習方式，難以對整個工藝過程及主要設備進行系統學習，無法直觀形象地認知各工段技術參數調整對產品性能指標的影響。此外，由于部分設備操作危險性高，實際教學無法開設相關實驗內容，學生參與度低，實踐動手能力弱，造成教學和生產實踐的脫節。開發針對廢水處理過程的虛擬仿真案例，將廢水處理過程中的大型設備、工藝流程、參數調節等融入到虛擬環境中，學生在虛擬環境下進行實驗操作，可以有效避免實驗的危險性，培養學生的實踐動手能力和創新思維，實現從理論知識學習到實踐能力鍛煉的升華。本案例以Matlab和Simulink為仿真平臺，使用活性污泥基準仿真1號模型(BSM1)對城市污水處理過程進行模擬仿真。BSM1由歐盟科學技術與合作組織的研究人員與國際水質協會“基于呼吸運動計量法來控制活性污泥過程”課題組共同提出。BSM1提供了設備布局、生物過程和沉淀過程的數學模型、過程參數、入水數據，為活性污泥法污水處理過程的仿真提供了完整的方法。BSM1由5個生化反應池和1個二沉池構成(圖1)。污水在經過兩個串聯的反硝化反應池處理后，進入3個串聯的硝化反應器繼續降解有機營養物。前兩個反應池無通風曝氣裝置，后3個反應池通過調整通風量來控制溶解氧濃度。BSM1的這種布局特點可以保證系統中的污水有足夠的污泥停留時間和水利停留時間。BSM1平均每天可處理2萬噸COD濃度為300g/m3的污水。過程故障診斷技術是工業生產過程中提升安全性的重要方法，具有重要的理論研究和實際應用價值。故障數據對于驗證故障診斷算法的性能具有重要作用。流程工業過程中的故障數據通常較難獲得，而采用計算機仿真的方法可以輕易生成符合流程工業實際情況的多種類型的故障數據。本案例是在BSM1的基礎上，通過改變過程變量參數，產生7種故障數據：(1)天氣故障；(2)自養菌最大比增長速率變化故障；(3)異養菌最大比增長速率變化故障；(4)二沉池沉降速率變化故障；(5)硝酸鹽執行器輸出故障；(6)溶解氧控制器設定值改變“故障”；(7)溶解氧傳感器的漂移故障、偏移故障和完全失效故障。使用多元統計過程監測中的主成分分析對這7種故障數據進行故障檢測(圖1)。

2.3持續改進的建議

化工自動化案例庫建立的時間比較短，可以在如下兩個方面加以改進：第一：案例庫的界面太簡單，可以進一步優化。例如，可以嘗試將Matlab與組態王軟件配合使用，利用組態王的組件來優化案例庫的界面[10]。第二：案例庫覆蓋面窄，案例數量需要增加。比如PID參數整定方法只涉及到課本中的部分方法，過程監測和故障診斷模塊的案例只使用了主成分分析法。后期可以考慮：(1)在建模模塊中增加卷積神經網絡等深度學習方面的案例；(2)在控制模塊中將課本提到的其他PID參數整定方法都集成到案例庫中，并增加模型預測控制、模糊控制等案例；(3)在故障診斷模塊增加偏最小二乘、小波分析等案例。

3結語

案例教學法對于提高化工裝備與控制方向專業學位研究生的教學質量具有重要意義。化工自動化案例庫的建設不僅是保證案例教學法有效實施的關鍵環節，也是研究生一流課程建設的重要內容，對于強化研究生實踐及創新能力具有重要作用。本文對化工自動化案例庫建設的背景、意義、內容及改進措施等方面進行了較為詳細的介紹，為工程類案例庫建設提供了有益的參考，為提升我國專業學位研究生課程案例庫的建設水平提供新的思路。

作者：劉鴻斌 卞輝洋 戴紅旗 單位：南京林業大學 輕工與食品學院 陜西科技大學 輕工科學與工程學院