首页 -> 2008年第7期
开展控制技能仿真实训 培养学生创新能力
作者：汪雪琴 张贝克 吴重光
关键词：控制技能；仿真实训；创新
随着科学技术日新月异，过程工业在各国国民经济中日益彰显其重要地位，随之兴起的过程系统仿真技术也日益发挥着重要作用。例如在航空航天、建筑、社会系统乃至认知系统等诸多领域均有其用武之地。随着复杂系统的化学工业、石油化工及炼油工业的日益大型化、连续化、复杂化和高度自动化，仿真技术更是扮演着不可替代的角色。
目前高校理工科的学生普遍存在着理论知识掌握不牢、理论与生产实际相脱节等问题，学生毕业后走向企业往往需要很长的适应期，而要其将所学知识与实际生产过程相结合并提出创新思想则更为不易。究其原因，一方面传统的高等工程教育方法难于满足现代企业生产的需要，另一方面学生下厂实习机会少、效果差是制约学生实践能力提高的瓶颈。如何确保学生实践教学的数量和质量已成为各大高校普遍关注并亟待解决的难题。众所周知，绝大多数大中型企业，尤其是化工及石油化工企业自动化程度高，常年连续生产使得开停车机会难遇，厂区内大部分区域又属于危险场所不易接近，学生即使下厂后也难以深入实际，“只许看、不许动手”是几乎所有实习单位提出的先决条件，由此导致实习目的远远达不到，实习效果自然就大打折扣。那么能否探索出一条新的不仅有利于培养学生的基本工程素质又有助于提高他们创新能力的有效途径，仿真技术为解决高等工程实践教学难题提供了强有力的手段。该技术为学生提供了体验工业生产过程的多变性和高复杂性，并能让他们零风险地反复进行工程训练最终达到控制目标的环境。由此可见，要确保学生的工程实践机会，并开拓学生创新能力培养的沃土，大力推广过程系统仿真工程控制技能训练具有十分重要的意义。
一、精良的仿真系统是创新能力培养的基础和保障
利用计算机进行系统仿真是一种全新的现代化教学手段，十多年来我校一直致力于推进计算机仿真教学并注重探索其教学规律。经过多年的开发研究，攻克了多项技术难关，终于完成了微机化仿真软件系统。这种半实物仿真实验系统实际上是一个形象化工厂的微缩装置，具有实实在在的容器、阀门、仪表等，它是通过高精度的工业模型，逼真地模拟工业对象的特性，使得教师在训练学生的工程技能方面有了切实可行的硬件环境，给学生提供了充分动手的机会。由于其动态数学模型具有足够高的精度，可以使学生得到几乎同真实工厂一样的开车、停车及事故状态的操作实践，学生甚至可以亲手拧动各个开关、阀门、调节器来对工艺参数进行全面调节和控制。对于工科院校的学生而言，这是极重要的动手训练环节。学生可以将下工厂的“实”习考察与在仿真器“虚”拟工厂上的模拟操作相结合。工厂还需要去，但时间大大减少，侧重点是为了搞清现场空间几何的形态；回到学校则着重训练学生综合运行化工装置的动手能力。学生们都认为在理论联系实际、综合实验能力等方面得到了很大训练和提高。这种仿真系统刚研制成功就得到了诸如清华大学、北京大学、香港科大等六十多所重点院校的热烈欢迎和使用，目前全国已有十万以上的学生从中受益。
二、仿真实训四年不断线是创新能力培养的不竭动力
在学校的大力扶持下，计算机仿真教学得到了长足的发展。其中教改项目“建立校内仿真实习基地，改革生产实习模式”荣获北京市普通高等学校教学成果一等奖、高等教育国家级教学成果二等奖；“过程系统及控制工程仿真实践”被评为北京市精品课程。多年来各种形式的教学改革和实习基地建设，为全校所有相关专业本科生提供了因材施教的实验和实习环境，也为全校相关专业研究生、博士生以及青年教师进行科学研究，实行基地全开放奠定了基础，仿真实训不会造成设备损坏或环境污染，也不会发生人身危险，不仅可以大大节省实践环节的开支，而且为提高学生的工程能力提供了优良的环境，为培养学生的创新意识开辟了广阔的空间。
在仿真实训四年不间断的教学培养体系中，学院对于低年级的学生，通过认识实习、选修单独设立的实践类课程“过程系统及控制工程仿真实践”、参与大学生科研训练计划项目等多种渠道进行训练。例如课程实验包括“前馈控制”、“比值整定控制”、“连续反应系统的综合控制”等综合创新性实验：大学生科研训练项目中，学生自己提出并完成了“多变量内模控制实验的开发”、“强化学习在优化控制中的应用”、“间歇反应安全控制系统的设计与研究”等研究课题。对于高年级的学生，通过课程设计、生产实习、毕业设计以及辅助教师开发创新实验等方式进行训练，例如一些学生选择的具有较大挑战性的毕业设计题目“高阶大时间常数列管式换热器的温度控制”、“主副反应竞争系统的转化率控制”、“高危时变强非线性系统的控制方案设计”等。另外学院一方面积极组织学生参与全国自动化系统工程师资格认证(ASEA)的培训与考核， 目前已有一些本科生拿到了资格证书，为顺利就业提供了重要依据；另一方面组织本科生和研究生参与全国计算机仿真大赛、“西门子杯”全国大学生控制技能仿真挑战赛等，均取得了优异的成绩。
三、以承办全国性挑战赛为载体，进一步深化创新能力培养
北京化工大学计算机仿真教学所获得的各项成果以及全国影响面的日渐扩大，一方面引起了中国系统仿真学会和中国自动化学会专家咨询工作委员会的高度重视，他们提供了各方面的支持和指导；另一方面吸引了国内外一些知名企业的密切关注，西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团自动化系统部便是其中一家，作为桥梁和纽带，我校教师经常与各学会的专家和领导、企业高层以及兄弟院校教师探讨如何利用技术优势，开辟新的实践教学改革道路，以激发广大大学生学习工程技术的兴趣，培养大学生的创新能力、协作精神和理论联系实际的作风，真正促进大学生工程实践水平全面提高，“西门子杯”全国大学生控制技能仿真挑战赛便在这样的背景以及多方面的努力下应运而生了。作为面向全国大学生的创新性科技活动，它不仅为全国过程控制领域知名院校的师生提供了相互交流学习的平台，而且促成了优秀学生脱颖而出，使本项挑战赛真正赋予了培养学生工程实践素养、激励学生针对生产实际问题进行创新研究的内涵。
大赛自2006年以来，已成功举办过两届，第三届也已启动，第一届的主题为“安全与通讯”，第二届的主题为“过程控制、安全”，赛程评委由十余名国内知名过程控制专家组成，以多项技术指标作为方案的评分标准。大赛的突出特色是采用了北京化工大学自行研制开发的半实物仿真模型构建“虚拟工厂”作为被控对象，以西门子公司最新一代DCS系统作为控制器组成完整的过程控制实验环境，提供给大学生一个综合设计、工程实践和挑战自我的平台，这是与传统的应试教育模式截然不同的，从初赛到决赛完成共历时3个月，初赛要求使用各种先进控制方法来设计综合系统控制方案，为期七天的决赛以创新技能夏令营的形式于暑假在北京化工大学信息学院进行，要求选手们将各自的初赛方案进行现场实施，包括硬件连接、特性测试、参数整定和投运等。正是由于大赛以实践、创新为突出特点，题目难度较大，充分体现了其挑战性。大赛不仅对学生快速学习新知识能力、综合应用知识能力、工作能力和组织协作能力等是一个巨大的挑战和锻炼，同时也给各个参赛队伍提供了交流的平台。
本项赛事普及范围十分广泛，覆盖全国大多数高校。自活动开展以来，大赛受到各大媒体网站以及各大高校的广泛关注，得到全国各高等院校的热烈响应。决赛队伍包括来自清华大学、华东理工大学、华南理工大学、中国石油大学、北京化工大学、西北工业大学、上海交通大学、西安交通大学等众多队伍。大赛同时还邀请十几个未进入决赛的参赛队领队及学生到现场进行观摩，并组织各位领队就如何提高高等院校学生动手能力进行了交流。两届大赛的成功举办已积累起一定的社会知名度，并逐渐成为全国高校范围内受学生普遍欢迎的竞赛之一。
[责任编辑：余大品]