热工过程自动调节课程认知与教学方法浅析

1 引言
“热工过程自动调节”是南京工程学院能源与动力工程学院的主要专业基础课程之一，其授课对象是热能工程、能源信息与自动化系的本科生，旨在培养学生对电站自动控制系统的分析能力，增强对电厂实际调节系统的了解。本课程主要涉及自动调节原理和自动调节系统两部分，前者偏理论研究，后者则将理论与现场被控对象相结合，因此，该门课程使学生掌握自动调节的基本理论，在此基础上掌握实际电站自动调节系统的整定方法，侧重培养学生分析问题与解决问题的能力，为学生今后从事火力发电厂整个热工控制系统的控制工作打下必要的基础。
该课程注重与工程实际的交叉渗透，重点培养学生理论学习能力和实际应用能力，从理论到实践的思路，深入浅出，掌握控制基本原理、基本设计思路以及电站中的典型控制实例。自动控制原理部分涉及高等数学中的积分和复变函数，这一部分需要学生具有扎实的数学基础，夯实的专业基础基本功以及较强的抽象思维、逻辑思维和计算能力。自动调节系统部分研究包含给水系统、过热汽温系统、燃烧控制等火电厂中的典型控制的特点及其设计思路，需要学生在掌握理论知识的基础上，深度了解火电厂整体运行流程和能流方向。
如果学生只是为了应对考试而机械地强记各种公式，就不知如何应对电站控制系统的实际问题。因此，为了达到该课程教学大纲的教学要求，教师需掌握全局观，紧靠大纲，重点突出，带领学生掌握好这门课程。
2 课程内容认知
该课程涉及的先修课程有高等数学、电工学、锅炉原理、汽轮机原理、热工测量技术等基础课和专业基础课，因此，在涉及相关数学知识时，有必要在课堂上对其进行回顾。
“自动调节的基本概念”章节是全课程的切入点，以自动调节系统的基本组成和系统方框图学习为重点，需要学生理解自动调节的常用术语和分类，对调节系统的调节过程有较系统地完整认识；掌握主要品质指标意义和求取方法。
在“自动调节系统的数学模型”章节里，传递函数和拉普拉斯变换是教学重点，前者是理解控制原理的基础，而后者则是微分方程转化为传递函数的重要工具。在涉及这些重点内容时，有必要在环节特性数学描述的基础上，掌握传递函数描述系统或环节动态特性的方法，了解典型扰动和基本环节的数学描述，并将拉普拉斯变换与微分方程相结合建立模型，使学生充分理解传递函数的概念。
控制系统控制的最基本要求包括稳定性，对于线性系统来说，特征方程根的分布决定了系统的稳定性。理解系统特征方程特征根和系统稳定性的数学关系（二阶系统），熟练掌握劳斯判据，了解频域分析的数学基础，理解乃奎斯特判据是学习稳定性分析这一章节的主要内容。
在汽轮发电机组典型自动调节系统教学过程中，需要结合理论知识对电站锅炉汽包水位自动调节系统的基本工作原理和整定方法、主蒸汽温度自动调节系统的基本工作原理与整定方法、燃烧自动控制系统的基本方案、主控制系统的结构和协调控制的基本方案有一定程度的了解。
除了课堂理论教学之外，增加了典型环节动态特性、单回路控制系统整定、汽包锅炉过热汽温调节系统整定等实验。在指导学生实验过程中，应该将实验现象分析的能力和实验结果作为重点考查内容。以汽包锅炉过热汽温调节系统整定实验为例：1）从理论角度对整定参数的几种方法进行回顾；2）仿真整定并分析火电厂高中压锅炉过热汽温自动调节系统采用的两种基本方案：A 过热汽温串级自动调节系统，B 采用导前汽温微分信号的双回路自动调节系统；3）整定一个自动调节系统一般采用计算整定法和工程整定法。
本课程设计要求：用适当的整定方法分别求出调节器的各个参数；再次，采用Matlab 软件进行仿真，得出满意的整定参数；最后，进行分析总结。这样，通过理论知识和实验结果相结合，加深学生对知识的理解力和利用所学知识实验现象的分析能力。
3 教学方法
教学方法多样性是指教师在教学过程中应有针对性地选用，旨在调动学生自主学习的积极性，充分激发学生的学习主观能动性，最终达到提高解决问题的能力，不断提高教学质量的目的。
3.1 互动式教学
当在讲授过程中遇到的一些重点和难点问题时，特别是收到学生课堂课后的难点反馈时，可以设置交互教学点，例如在自动调节系统整定的章节学习时，让学生自发成组，相互之间进行交流和讨论，最后由学生来介绍解决问题的过程和小结。以“提出问题———多角度思考———积极探索———缜密解答”的模式，引导学生从各个角度、各个侧面来理解理论知识，并以此为依据解决现场实际问题，最终对问题的解决情况进行分析，促进学生自主性、探索性和协同性学习的习惯，重点体现“教师为主导，学员为主体”的教学思想，切实提高学生分析、解决问题的能力。
3.2 案例式教学
在教学过程中适当增加情景教学，可以加深学生学习、吸收新知识的效果。因此，在讲解课程相应知识点时，借助具体的案例可以达到事半功倍的效果。如在讲解内外回路整定时，首先讲解内外回路的不同特性以及各自对应的整定方法，然后再选择火电厂常见案例来具体介绍，比如机组汽温控制，有助于学生对学习内容理解的同时，也可以加深学生对所学知识的印象。由学生来寻找一些实际的内外回路整定的现场实例，并分析各自系统的特点，可以提高学生的学习兴趣，吸引所有的学生参与、思考和作答，加深对知识点的理解，锻炼学生的学习能力。
3.3 角色互换式教学
该教学方式是教师与学生就某个特定施教目标组成团队或搭档进行协同教学模式。在教学过程中，他们相互协调，相互学习，互为补充，共同提高，共同完善。首先由教师主导，完成相关预先的设计与组织，继而抛出某一问题或知识点，并启发学生进行讨论，通过组织积极的讨论，让学生各抒己见，主动探寻知识，以达到训练学生多层次解决问题能力的目的。在课程教学过程中做好角色互换式教学需要要协调好以下关系：教师教和学生学的耦合关系；网络资源和教材相互补充的关系；现代和传统教育技术充分融合的关系；面向整体学生和因材施教的关系。
4 结语
笔者结合自己在“热工过程自动调节”教学过程中的具体做法，对该课程的认知和教学方法做出探讨。该课程既要求学生掌握基本的热工过程自动调节原理，又要求学生掌握火电厂中实际的控制系统，理解控制理论和电站实际系统实现的关系，着重培养学生分析、解决实际问题的能力。
简言之，该课程是一门理论性和实践性很强的课程，对于学生理解机组运行调节规律十分重要，因此，教师在教学过程中还需要不断地探索研究各种教学方法，在实践中验证并不断地改进，切实提高教学质量。