专业学位研究生化工装备与控制研究

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[摘要]案例教学是提升工程类专业学位研究生工程实践和创新能力的重要方法。通过对课程案例库建设背景和意义的分析，构建了包含10个典型案例的化工自动化案例库，并将其应用于专业学位研究生课堂教学实践，提出了案例库需要改进的建议，为专业学位研究生工程案例教学提供实践经验。

[关键词]专业学位；研究生教育；化工装备与控制；案例教学；案例库

案例教学法是以案例为核心的教学方法。国内早在春秋战国时期就有大量的民间故事可以看做是最早的案例，比如“纸上谈兵”、“朝秦暮楚”、“卧薪尝胆”等众多广为流传的典故。国外使用案例教学大致可以追溯到古希腊罗马时期，代表人物如苏格拉底、柏拉图等。现代意义的案例教学法特指20世纪初由美国哈佛大学商学院倡导的一种广受学生好评的教学方法，沿用至今[1]。与传统教学方法相比，案例教学法具有探究性的特点，还具有如下作用：(1)可以提高学生的创新意识和创新能力；(2)可以提高学生分析和解决问题的能力；(3)可以提高学生学习的自主性[2]。案例教学法通常在管理学、法学等人文管理类学科广泛应用，进入21世纪以后，随着我国教育事业的不断发展，工程类案例教学法在高等院校工科类课程，如《化工原理》[3]和《化工过程控制》[4]，也获得了较大的成功。专业学位研究生案例教学近年来得到国家的高度重视[5]，《教育部关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》(教研[2015]1号)指出：提高工程硕士工程实践能力的一个重要途径是在实践教学中积极引入和重视案例教学，大力加强案例库建设[6]。通过化工自动化案例库的开发和建设，可以加深学生对重要知识和基础概念的理解，提高教学质量。案例教学通过案例来深入展示各知识点之间的内在关联，调动学生学习的积极性，提高学生的自学能力，培养学生独立思考、分析、归纳和整理资料的能力，培养学生的创新意识和动手解决问题的能力。此外，以学生为中心开展案例教学对于提高教师的授课水平和授课内容的深度具有积极的推动作用。南京林业大学全日制专业学位研究生培养方案涵盖林业、机械、电子信息和材料与化工等15个专业类别，其中材料与化工专业包含材料工程、林业工程、木竹结构材料与工程、生物质材料与工程、化学工程、轻工技术与工程6个领域方向。化工装备与控制是轻工技术与工程下属的一个重要研究方向，满足轻化工程行业发展对人才培养的要求，主要研究化工装备、自动控制、设备监测、故障诊断。本文就化工装备与控制方向专业学位研究生课程案例库的建设思路和经验做法介绍如下。

1化工自动化案例库介绍

1.1化工自动化案例库相关的研究生课程介绍

化工自动化案例库涉及到的研究生课程主要有《化工过程计算机仿真》、《化工过程动态分析与控制》、《现代造纸机械监诊学》、《多元统计过程监测》。这些课程(1)集成了化工原理、控制理论、计算机仿真等学科知识，是现代化工、轻工及环境等相关学科工艺控制、设计的基础，具有应用范围广、实践性强等特点；(2)较全面地覆盖到了化工过程的建模、仿真、控制、监测以及故障诊断等主要知识模块。建模模块要求学生掌握典型化工过程动态数学模型的建模方法，一阶过程、二阶过程以及复杂过程的动态特性，Matlab/Simulink仿真等；控制模块要求学生重点掌握PID控制器的参数对控制性能的影响及其整定方法，在此基础之上，还要求学生掌握前馈控制、比值控制、串级控制、多回路和多变量控制等复杂、先进的控制策略；监测及故障诊断模块要求学生掌握传统单变量质量控制图方法(如休哈特控制图、累积和控制图)、多元统计过程监测技术(比如主成分分析法、偏最小二乘法)等。

1.2化工自动化案例库与双语教学相互促进

提升双语教学效果是高等教育研究中的一个重要课题，本教学团队在已有的本科双语课程教学经验[7,8]基础之上，在研究生课程教学中积极引入国外优秀教材，主动开展双语授课。经过几个学期的探索，取得了良好的教学效果，学生英语水平和专业知识都得到了明显的提升，双语教学的经历对其今后从事的科研工作也起到了较大的促进作用。化工自动化案例库在开发的过程中借鉴了大量国外优秀教材中的经典例题。比如，《化工过程动态分析与控制》课程采用Seborg教授等编著的ProcessDynamicsandControl第二版[9]。化工自动化案例库中关于PID控制器参数整定的部分案例即来自于书中的例题。在实际教学讲解例题的时候，学生不但可以亲自动手研究、观察例题中的默认参数对结果的影响，还可以随意改动模型参数，观察现象，总结规律。通过案例的学习，可以加深学生对于PID控制器参数整定知识的理解，进而激发学生的学习兴趣。

2化工自动化案例库内容及典型案例分析

2.1化工自动化案例库内容

通过化工自动化案例库的开发及其在教学实践中的使用和逐步完善，引导学生对化工典型过程的建模、优化、控制及监测等方面进行深入学习，提高学生对实际问题的分析判断和处理能力。案例的来源主要有国内外经典化工自动化教科书上的重要例题以及化工自动化领域参考文献中的经典论文。经过一个学期的开发，教学团队已经开发出10个应用案例(表1)。

2.2化工自动化典型案例分析

废水处理过程多元统计分析现代废水处理过程是一个集合多变量、强耦合、强非线性、强动态多种特性于一身的复杂系统。废水处理工艺复杂、设备繁多、参数相互关联度高，在实验教学中难以全方位、多角度地展示参数设置对生产过程与产品质量的影响。随着活性污泥数学模型的成熟和计算机仿真技术的发展，可以通过计算机仿真来模拟活性污泥污水处理过程，研究活性污泥法污水处理工艺、过程控制算法和控制策略。仿真模拟是污水处理系统设计中不可或缺的步骤，通过仿真模拟可以大大缩短工艺设计的周期和难度，也可以降低工艺设计的成本。此外，通过模拟仿真也可以为工艺的改造以及控制系统的设计提供有益的参考，模拟仿真还可以辅助维持污水处理的运行，预测可能发生的事故。受实验条件及教学课时的限制，传统的实验教学只能选取参观、实习的学习方式，难以对整个工艺过程及主要设备进行系统学习，无法直观形象地认知各工段技术参数调整对产品性能指标的影响。此外，由于部分设备操作危险性高，实际教学无法开设相关实验内容，学生参与度低，实践动手能力弱，造成教学和生产实践的脱节。开发针对废水处理过程的虚拟仿真案例，将废水处理过程中的大型设备、工艺流程、参数调节等融入到虚拟环境中，学生在虚拟环境下进行实验操作，可以有效避免实验的危险性，培养学生的实践动手能力和创新思维，实现从理论知识学习到实践能力锻炼的升华。本案例以Matlab和Simulink为仿真平台，使用活性污泥基准仿真1号模型(BSM1)对城市污水处理过程进行模拟仿真。BSM1由欧盟科学技术与合作组织的研究人员与国际水质协会“基于呼吸运动计量法来控制活性污泥过程”课题组共同提出。BSM1提供了设备布局、生物过程和沉淀过程的数学模型、过程参数、入水数据，为活性污泥法污水处理过程的仿真提供了完整的方法。BSM1由5个生化反应池和1个二沉池构成(图1)。污水在经过两个串联的反硝化反应池处理后，进入3个串联的硝化反应器继续降解有机营养物。前两个反应池无通风曝气装置，后3个反应池通过调整通风量来控制溶解氧浓度。BSM1的这种布局特点可以保证系统中的污水有足够的污泥停留时间和水利停留时间。BSM1平均每天可处理2万吨COD浓度为300g/m3的污水。过程故障诊断技术是工业生产过程中提升安全性的重要方法，具有重要的理论研究和实际应用价值。故障数据对于验证故障诊断算法的性能具有重要作用。流程工业过程中的故障数据通常较难获得，而采用计算机仿真的方法可以轻易生成符合流程工业实际情况的多种类型的故障数据。本案例是在BSM1的基础上，通过改变过程变量参数，产生7种故障数据：(1)天气故障；(2)自养菌最大比增长速率变化故障；(3)异养菌最大比增长速率变化故障；(4)二沉池沉降速率变化故障；(5)硝酸盐执行器输出故障；(6)溶解氧控制器设定值改变“故障”；(7)溶解氧传感器的漂移故障、偏移故障和完全失效故障。使用多元统计过程监测中的主成分分析对这7种故障数据进行故障检测(图1)。

2.3持续改进的建议

化工自动化案例库建立的时间比较短，可以在如下两个方面加以改进：第一：案例库的界面太简单，可以进一步优化。例如，可以尝试将Matlab与组态王软件配合使用，利用组态王的组件来优化案例库的界面[10]。第二：案例库覆盖面窄，案例数量需要增加。比如PID参数整定方法只涉及到课本中的部分方法，过程监测和故障诊断模块的案例只使用了主成分分析法。后期可以考虑：(1)在建模模块中增加卷积神经网络等深度学习方面的案例；(2)在控制模块中将课本提到的其他PID参数整定方法都集成到案例库中，并增加模型预测控制、模糊控制等案例；(3)在故障诊断模块增加偏最小二乘、小波分析等案例。

3结语

案例教学法对于提高化工装备与控制方向专业学位研究生的教学质量具有重要意义。化工自动化案例库的建设不仅是保证案例教学法有效实施的关键环节，也是研究生一流课程建设的重要内容，对于强化研究生实践及创新能力具有重要作用。本文对化工自动化案例库建设的背景、意义、内容及改进措施等方面进行了较为详细的介绍，为工程类案例库建设提供了有益的参考，为提升我国专业学位研究生课程案例库的建设水平提供新的思路。

作者：刘鸿斌 卞辉洋 戴红旗 单位：南京林业大学 轻工与食品学院 陕西科技大学 轻工科学与工程学院