面向工程實(shí)際的過程控制課程設(shè)計(jì)

孫昌躍+歐青立+李勇成

[摘 要] 過程控制課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專業(yè)的專修課程， 是理論聯(lián)系實(shí)際的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重新調(diào)整。開發(fā)了基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與實(shí)物實(shí)驗(yàn)一起應(yīng)用于教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)中，以更有效地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。本文結(jié)合互耦水槽液位控制實(shí)驗(yàn)介紹了課程設(shè)計(jì)的開展情況。

[關(guān)鍵詞] 過程控制;課程設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2014）04-0093-04

0 引言

過程控制方法是現(xiàn)代石化、生物制藥、鋼鐵等工業(yè)裝備運(yùn)行操作的技術(shù)基礎(chǔ)。由于涉及較深的理論教學(xué)內(nèi)容和復(fù)雜的工程背景，過程控制課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際并與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。另一方面，理論教學(xué)中的示例系統(tǒng)一般經(jīng)抽象化處理且假設(shè)處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，學(xué)生對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的理解通常也是概念化的。要促進(jìn)學(xué)生的理論知識(shí)向?qū)嵺`能力轉(zhuǎn)換，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)起著重要作用。實(shí)踐教學(xué)有利于本科專業(yè)教育已獲得廣泛的共識(shí)，各種實(shí)踐教學(xué)模式也得到了研究和應(yīng)用[1-5]。但如何在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生在過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析過程中將所學(xué)的理論知識(shí)融會(huì)貫通，并掌握新技術(shù)、新方法，是一個(gè)值得探討的課題。

自2010年以來，借助國家級(jí)電子與電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的契機(jī)，圍繞構(gòu)建科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)體系、體現(xiàn)先進(jìn)的教學(xué)方法和理念、提高教學(xué)效果和促進(jìn)學(xué)生專業(yè)技能培養(yǎng)等幾個(gè)方面，對原有的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。下面將介紹從過程控制實(shí)踐教學(xué)中獲得的一些體會(huì)。

1 過程控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)目的及內(nèi)容

1.1 過程控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)目的

過程控制是自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握過程控制儀表的組成、原理、工程設(shè)計(jì)規(guī)范;熟練掌握過程對象建模的基本原理、方法和單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)整定;了解常規(guī)過程控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用。根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃要求，設(shè)置了過程控制課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的就是通過過程控制系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的全過程，強(qiáng)化學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解、消化和吸收，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)的能力。此外，通過對一個(gè)模擬工業(yè)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和實(shí)踐技能，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)進(jìn)一步提升和創(chuàng)新能力的養(yǎng)成，為畢業(yè)后的繼續(xù)教育、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)打下良好基礎(chǔ)。

1.2 過程控制課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

過程控制課程設(shè)計(jì)包含理論設(shè)計(jì)和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)兩部分，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際、理論與實(shí)際的有機(jī)結(jié)合。理論設(shè)計(jì)部分要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能設(shè)計(jì)一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的主電路和控制電路，選擇變送器、控制器、執(zhí)行器等，畫出系統(tǒng)電氣原理圖。理論設(shè)計(jì)規(guī)定每個(gè)同學(xué)自己獨(dú)立完成設(shè)計(jì)，并提交一份設(shè)計(jì)說明書。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)部分要求根據(jù)設(shè)計(jì)題目，完成單元電路安裝、系統(tǒng)組態(tài)、單元及系統(tǒng)調(diào)試等。課程設(shè)計(jì)的成績評(píng)定由實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生在整個(gè)集中實(shí)踐過程中的表現(xiàn)，包括理論設(shè)計(jì)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、設(shè)備或系統(tǒng)制作、調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定。

2 面向工程實(shí)際的過程控制動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

2.1 過程控制動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

過程控制動(dòng)手實(shí)驗(yàn)是課程設(shè)計(jì)的主要教學(xué)環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)的作用應(yīng)該有助于強(qiáng)化和展示課本的專業(yè)理論，有益于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和分析、解決問題思維模式的養(yǎng)成。而如何理論聯(lián)系實(shí)際是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)知識(shí)的最終目的?；诿嫦蚬こ虒?shí)際的教學(xué)理念，更新了過程控制實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備并擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)場地，營造了一個(gè)具有工程背景的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過在真實(shí)環(huán)境中的實(shí)踐，學(xué)生可以驗(yàn)證自己所學(xué)的理論知識(shí)，并且通過解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到的諸如噪聲干擾、設(shè)備波動(dòng)等問題，鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。由于受課時(shí)、場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等教學(xué)資源的限制，實(shí)物實(shí)驗(yàn)通常是定時(shí)間、定地點(diǎn)、定內(nèi)容、定人員。如果實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作不充分或?qū)ο嚓P(guān)理論知識(shí)理解不透，學(xué)生很難獲得較好的學(xué)習(xí)效果。為了彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的缺陷，提高實(shí)物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，開發(fā)了基于LabView的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于LabView采用圖形化虛擬儀器框架，對虛擬儀器技術(shù)有強(qiáng)大支持，所構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┦直普娴漠嬅娑夜δ軓?qiáng)大。采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不但可以進(jìn)行預(yù)前實(shí)驗(yàn)，而且可以進(jìn)行儀器儀表輔助工具使用的訓(xùn)練，一定程度上緩解了教學(xué)資源緊張的問題。更重要的是，虛擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程形象化設(shè)計(jì)更便于學(xué)生直觀地理解理論知識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行探索性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)。這種“實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的混合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為學(xué)生提供了基于Kolb體念學(xué)習(xí)的條件，即通過具體體驗(yàn)、反思觀察、抽象概括和主動(dòng)實(shí)驗(yàn)四個(gè)階段，形成一個(gè)知識(shí)獲取和構(gòu)建的良性循環(huán)，從而營造知識(shí)構(gòu)建的理解、轉(zhuǎn)換二維過程，這個(gè)過程對于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要作用[6，7]。

2.2 過程控制課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目及動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況

過程控制課程設(shè)計(jì)包括如下項(xiàng)目：（1）互耦水箱液位控制系統(tǒng);（2）鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫串級(jí)控制系統(tǒng);（3）比值控制系統(tǒng);（4）鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋-反饋控制系統(tǒng);（5）滯后控制系統(tǒng);（6）鍋爐夾套與內(nèi)膽水溫解耦控制系統(tǒng)。為充分利用實(shí)驗(yàn)資源，將每個(gè)教學(xué)班分成若干組，每個(gè)組3～4人，每組學(xué)生通過抽簽方式選擇一項(xiàng)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)采用任務(wù)引導(dǎo)、問題驅(qū)動(dòng)的方式和實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)交叉安排的形式進(jìn)行，下面以互耦水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的實(shí)施情況。

互耦水箱液位控制動(dòng)手實(shí)驗(yàn)包括如下任務(wù)：（1）互耦水箱特性測試與建模;（2）互耦水箱液位PID控制器設(shè)計(jì);（3）常規(guī)ZN-PID控制算法與MIC-PID算法性能比較。為了加深學(xué)生對相關(guān)理論知識(shí)的理解、熟悉數(shù)字示波器等儀器儀表的使用方法，以提高實(shí)物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，為學(xué)生提供了基于LabView的互耦水箱液位控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見圖1）和配套的指導(dǎo)書。學(xué)生既可以在等待實(shí)物實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)行仿真作為預(yù)前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，也可以利用課余時(shí)間自主進(jìn)行問題驅(qū)動(dòng)的仿真研究。實(shí)物實(shí)驗(yàn)的互耦水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。

1）互耦水箱特性測試與建模。這個(gè)單元的設(shè)計(jì)任務(wù)要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)了解互耦水箱特性，并采用合適的方法對互耦水箱進(jìn)行建模。實(shí)驗(yàn)安排測試、觀測不同閥門開度時(shí)的液位動(dòng)態(tài)變化曲線，以理解所建模型參數(shù)隨不同工作點(diǎn)變動(dòng)的原因。圖3顯示了控制閥門不同開度時(shí)液位的變化曲線。如圖3所示，互耦水箱液位的動(dòng)態(tài)特性相當(dāng)直觀，即增大控制閥門液位會(huì)升高，而減小控制閥門液位會(huì)降低。但相同增量的閥門開度會(huì)導(dǎo)致不同的液位變化曲線，這表明互耦水箱系統(tǒng)具有一定的非線性特性。這種非線性特性的結(jié)果是針對某一工作液位設(shè)計(jì)的具有理想性能的控制器可能在另一工作液位處獲得的性能并不理想。因此，為了準(zhǔn)確描述互耦水箱系統(tǒng)的特性以獲得較好的控制效果，應(yīng)對工作點(diǎn)的液位進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測試以獲得建模數(shù)據(jù)。

互耦水箱的建模包括基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的建模和模型驗(yàn)證。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)含有噪聲，若不通過消噪處理而直接采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，所建模型與互耦水箱實(shí)際動(dòng)態(tài)特性可能產(chǎn)生較大誤差，從而可能導(dǎo)致基于互耦水箱模型設(shè)計(jì)的控制器性能不理想。通過引導(dǎo)學(xué)生考慮各種有效的方法，如常規(guī)圖形解析建模前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)濾波處理、面積建模法等[8]，采用一階慣性+時(shí)延環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型可以較好地適配互耦水箱液位動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

這個(gè)單元利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所反映出的非線性特性、噪聲等現(xiàn)象，擬為學(xué)生營造實(shí)際工程環(huán)境，更為重要的是培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

2）互耦水箱液位PID控制器設(shè)計(jì)。這個(gè)單元的設(shè)計(jì)任務(wù)涉及常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)的選擇與參數(shù)整定。為了使學(xué)生充分了解PID每個(gè)控制部分的作用，要求學(xué)生對不同比例常數(shù)Kp的P控制、不同微分時(shí)間常數(shù) d的PID控制、P控制與PI控制、PI控制與PID控制進(jìn)行對比研究。觀察不同控制參數(shù)變化、不同的控制結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、干擾抑制效果、控制器輸出和測量噪聲所產(chǎn)生的作用。如增大Kp的P控制可以加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和減小穩(wěn)態(tài)誤差（圖5所示），而增大 d的PID控制可以抑制系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)（圖6所示）。另外，通過PI控制與PID控制的比較，讓學(xué)生了解噪聲環(huán)境下微分控制作用會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)噪聲的放大（圖7所示），這種效應(yīng)會(huì)對控制閥產(chǎn)生不利影響。因此，在噪聲環(huán)境下采用微分控制時(shí)，應(yīng)選擇具有濾波功能的PID控制。

這個(gè)單元通過上述問題的探討，擬強(qiáng)化學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解和加深對實(shí)際工程問題的認(rèn)識(shí)。通過具體體驗(yàn)、反思觀察、抽象概括與行動(dòng)應(yīng)用的完整過程，學(xué)生將書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的直接經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的內(nèi)化。

3）常規(guī)ZN-PID控制算法與MIC-PID算法性能比較。這個(gè)單元的設(shè)計(jì)任務(wù)涉及研究性學(xué)習(xí)，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行基于內(nèi)?？刂频腜ID控制方法的研究。大多數(shù)過程控制教材一般只介紹經(jīng)典PID控制參數(shù)整定方法如齊格勒-尼科爾斯（Ziegler-Nichols method）的切線法和臨界振蕩法，對工業(yè)界已廣泛采用的基于內(nèi)模控制的PID控制方法（MIC-PID）幾乎沒有涉及。這個(gè)設(shè)計(jì)單元安排學(xué)生閱讀MIC-PID控制方法文獻(xiàn)[9]，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行常規(guī)ZN-PID控制算法與MIC-PID算法性能比較研究。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括對參考輸入的跟蹤性能、對外加干擾的抑制性能以及控制輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)性能研究。如圖8所示，在相似的跟蹤性能情況下，ZN-PID控制對外加干擾的抑制性能要好于MIC-PID控制。但另一方面，MIC-PID控制所對應(yīng)的控制輸出信號(hào)變化幅度更小且更加平滑，這一特點(diǎn)對控制閥門而言較為有益。

這個(gè)單元旨在通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，擴(kuò)展學(xué)生的視野。另一方面，通過不同控制算法的性能比較，了解不同控制算法的特點(diǎn)，為實(shí)際工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)束語

總之，結(jié)合對過去實(shí)踐教學(xué)的反思和對工程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)作用的重新定位，就過程控制課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行了調(diào)整。通過過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)升級(jí)改造和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完善，一方面使實(shí)驗(yàn)?zāi)芷鸬郊ぐl(fā)學(xué)生專業(yè)興趣的作用;另一方面，為學(xué)生發(fā)展專業(yè)技能營造工程環(huán)境。通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的交叉實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶腿蝿?wù)引導(dǎo)、問題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方式，為學(xué)生構(gòu)建了面向工程實(shí)際、便于自主學(xué)習(xí)和交流的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綇?qiáng)調(diào)體驗(yàn)在學(xué)習(xí)中的作用，注重開闊學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)變化，從“感受” 中學(xué)習(xí);注重培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心觀察，多視角多維度地看待問題、理解學(xué)習(xí)內(nèi)容;注重學(xué)生思考、客觀邏輯地分析問題，運(yùn)用已有的知識(shí)開動(dòng)腦筋、積極思考;強(qiáng)調(diào)從做中學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索，并采取具體的方法解決實(shí)際問題。經(jīng)過幾年的實(shí)踐，面向工程實(shí)際的過程控制課程設(shè)計(jì)在學(xué)生中獲得了良好反映，今后筆者將不斷完善現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)，探索基于Web的過程控制實(shí)驗(yàn)方法，為學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)提供平臺(tái)。

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