過程控制工程結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探究

陳磊，任銀娥，張紅欣

（1.新疆大學(xué) 化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.昌吉學(xué)院 物理系，新疆 昌吉 831100）

2018 年教育部批復(fù)的首批105 項(xiàng)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中涵蓋了化工與制藥、機(jī)械類等7 個大類，可見虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決現(xiàn)階段高等教育過程中面對設(shè)備較為復(fù)雜、教學(xué)內(nèi)容抽象難懂、過程系統(tǒng)龐大、工程應(yīng)用性較強(qiáng)的課程困境最有效的手段.隨著軟件集成平臺多樣化，國內(nèi)各大高校教學(xué)工作者利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)開發(fā)的虛擬控制實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中獲得了較好的教學(xué)效果和反響.如天津大學(xué)范江洋[1]等針對化工過程控制課程，教師授課時采用組態(tài)虛擬控制儀表演示某生產(chǎn)線控制參數(shù)調(diào)節(jié)時各化工設(shè)備參數(shù)變化及設(shè)備物理性變化的范例，將多維互動學(xué)習(xí)過程延伸至課堂之外，提高了學(xué)生上課目標(biāo)專注程度和課程興趣.天津科技大學(xué)王紅星[2]在教學(xué)過程中針對精餾塔的教學(xué)，多乙苯精餾塔的控制運(yùn)用圖形化編程軟件進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并通過實(shí)時改變各變量參數(shù)的給定值使學(xué)生能觀察到高壓塔設(shè)備蒸汽流量變化，各層塔壓變化規(guī)律.福州大學(xué)史曉東[3]等針對過程控制課程中引入可參數(shù)化改變系統(tǒng)進(jìn)給量，動態(tài)演示了鍋爐點(diǎn)火過程中鍋爐內(nèi)部溫度、壓力、能量轉(zhuǎn)化、氣體結(jié)構(gòu)變化，將工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際操作過程進(jìn)行了如實(shí)反映.石河子大學(xué)張巖文[4]采用Matlab/GUI 圖形化編程，利用動態(tài)仿真講解原子物理學(xué)中的原子受力分析等內(nèi)容，教改結(jié)果表明，虛擬控制實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生觀察和分析各參數(shù)對實(shí)驗(yàn)的影響，能使教學(xué)更生動、高效，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也為相關(guān)課件的設(shè)計(jì)提供了新途徑.

本文通過近年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)對課程改革的理解，將虛擬實(shí)驗(yàn)與課堂理論教學(xué)進(jìn)行耦合，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng).采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能打破實(shí)驗(yàn)室空間有限、實(shí)驗(yàn)裝備昂貴、實(shí)操不確定性因素等限制，可將以往的靜態(tài)式展示教學(xué)向動態(tài)直觀式觀察進(jìn)行轉(zhuǎn)變，同時可增加課程中控制系統(tǒng)的種類與數(shù)量，深化學(xué)生對控制系統(tǒng)的了解與認(rèn)識，更能逐步加強(qiáng)學(xué)生對工業(yè)控制系統(tǒng)的直觀感受.

1 現(xiàn)階段教學(xué)中存在的問題

采用羅健旭等主編的《過程控制工程》[5]（4 版）為教材，共9 個章節(jié).前4 章主要包含基于化工生產(chǎn)背景涉及的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)建模、控制裝置基本構(gòu)造及原理、單/串級PID 控制系統(tǒng)機(jī)理等內(nèi)容.后5 章在介紹先進(jìn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)描述了預(yù)測控制、解耦控制、時滯補(bǔ)償控制等系統(tǒng).并在最后章節(jié)中講解了流體運(yùn)輸設(shè)備、傳熱設(shè)備、精餾塔控制、化學(xué)過程控制的控制原理.

1.1 課堂教學(xué)易造成理論與實(shí)踐脫節(jié)

過程控制工程作為專業(yè)核心課程，集合了微積分方程推演、數(shù)學(xué)建模理論、執(zhí)行器工作原理、自動控制原理等知識點(diǎn).知識結(jié)構(gòu)由易漸難，布局由單一轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)型，因此單純地利用課堂理論教學(xué)，而不進(jìn)行實(shí)踐操作易造成學(xué)生對知識點(diǎn)如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)作產(chǎn)生疑惑.尤其是課程后半部分涉及的預(yù)測控制、解耦控制、時滯補(bǔ)償控制等操作更需要實(shí)踐操作才能消化課堂教學(xué)內(nèi)容.實(shí)驗(yàn)室設(shè)備雖能完成部分課程所需的實(shí)驗(yàn)，但對于更為復(fù)雜的控制系統(tǒng)目前尚未開發(fā)完全，故針對復(fù)雜的控制系統(tǒng)暫時停留在課堂教學(xué)階段，造成部分學(xué)生由于思考能力有限而不能完全理解知識點(diǎn)和控制原理，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)生知識理論與實(shí)踐脫節(jié)的窘境.

1.2 實(shí)驗(yàn)操作效果不理想

根據(jù)教學(xué)大綱安排，課程涉及5 個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——單容水箱液位平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雙容水箱液位平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雙容水箱前饋控制的投放與整定、小型換熱器換熱性能檢測實(shí)驗(yàn)、基于總線儀表的比值控制系統(tǒng)的投放和整定.根據(jù)教學(xué)大綱制定5 個實(shí)驗(yàn)課程，從2017—2019 年統(tǒng)計(jì)的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)操的數(shù)據(jù)顯示，歷年參與該課程實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生人數(shù)為60 人，93.3%以上的學(xué)生可在當(dāng)節(jié)課堂操作過程中完成第1～2個實(shí)驗(yàn)；85%的學(xué)生可在當(dāng)節(jié)課堂完成第3 個實(shí)驗(yàn)；71.7%的學(xué)生可在當(dāng)節(jié)課堂完成第4 個實(shí)驗(yàn)；58.3%的學(xué)生可在當(dāng)節(jié)課堂完成第5 個實(shí)驗(yàn).每個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)開展的前3 天通過學(xué)習(xí)委員下發(fā)給班級學(xué)生，并在實(shí)驗(yàn)課開始時抽查學(xué)生關(guān)于當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)課所涉及的知識點(diǎn).由于實(shí)驗(yàn)課當(dāng)堂操作不理想，學(xué)生只能后補(bǔ)實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫.這種情況不僅造成學(xué)生無法系統(tǒng)地了解實(shí)驗(yàn)操作，也不能較快地將課堂理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐操作，同時提高了實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)投入.

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法滿足學(xué)生知識面發(fā)展的要求

與課程配套的5 個實(shí)驗(yàn)僅能幫助學(xué)生鞏固課堂理論知識，在近一步提高學(xué)生對復(fù)雜控制系統(tǒng)的興趣、拓寬視野方面還存在一段差距.當(dāng)前開發(fā)的實(shí)驗(yàn)只能讓學(xué)生對控制系統(tǒng)有入門式的理解和操作，而更為復(fù)雜的多級控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、多參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)只能借助書本進(jìn)行空洞的描述，缺乏理論與實(shí)驗(yàn)的雙重驗(yàn)證環(huán)節(jié)，無法做到理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相輔相成的教學(xué)局面.

2 教學(xué)改革具體措施和方案

建設(shè)虛擬控制實(shí)驗(yàn)采用高級計(jì)算機(jī)程序語言與工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備虛擬化顯示，標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件可完成設(shè)備控制系統(tǒng)中各類顯示儀表及控制設(shè)備的圖形設(shè)計(jì)，圖形化顯示有助于分析過程控制系統(tǒng)單/多參數(shù)變化時系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[5].將設(shè)計(jì)好的虛擬實(shí)驗(yàn)帶入課堂，課堂教學(xué)中在線參數(shù)實(shí)時調(diào)節(jié)可使學(xué)生直觀感受本章節(jié)中控制系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、儀表分布、物料流向結(jié)構(gòu)、能量傳遞過程、全系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的知識要點(diǎn)，同時為了解下一銜接課程形成了知識儲備.對于配套的實(shí)驗(yàn)，可提前將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺軟件下發(fā)給學(xué)生，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊進(jìn)行預(yù)操作（熟悉界面、參數(shù)設(shè)置原理、操作流程、結(jié)果查詢、參數(shù)報(bào)表等），對實(shí)驗(yàn)課程有充分的了解和熟悉.

2.1 虛擬控制實(shí)驗(yàn)工作原理

虛擬控制平臺圖形設(shè)計(jì)采用北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)王軟件，程序設(shè)計(jì)采用Matlab/Simulink 工具箱完成程序控制參數(shù)的搭建，組態(tài)軟件與Simulink 之間采用基于Windows 應(yīng)用的OPC（OLE for Process Control）通訊技術(shù)完成控制界面與算法之間的數(shù)據(jù)交互[6].

組態(tài)王軟件主監(jiān)控界面主要由參數(shù)設(shè)置界面、數(shù)據(jù)曲線顯示界面、歷史數(shù)據(jù)查詢畫面、歷史曲線查詢畫面、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面、報(bào)表生成功能組成.結(jié)合組態(tài)王軟件的現(xiàn)有圖形功能和強(qiáng)大的繪圖工具箱，可將需要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的設(shè)備布局結(jié)構(gòu)和設(shè)備形態(tài)進(jìn)行創(chuàng)建，并結(jié)合I/O 配置、動畫動態(tài)連接、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫等功能完成系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)試.

圖形界面與Simulink 通過OPC 技術(shù)連接后，可在設(shè)計(jì)好的界面中輸入設(shè)定參數(shù)，此時Matlab 與組態(tài)軟件建立通信的主要步驟為：（1）虛擬系統(tǒng)自動創(chuàng)建OPC 數(shù)據(jù)并訪問客戶端對象；（2）在OPC 客戶端對象添加組對象；（3）在OPC 客戶端對象添加項(xiàng)對象；（4）對組態(tài)王的變量進(jìn)行讀或?qū)懪袛?；?）Simulink中數(shù)據(jù)通過OPC 與組態(tài)軟件形成數(shù)量連接；（6）完成數(shù)據(jù)交互后OPC 連接結(jié)束.

2.2 教學(xué)與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锛皩?shí)現(xiàn)

將虛擬控制實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)緊密結(jié)合，在課堂教學(xué)中采用直觀的參數(shù)修改后形成的動畫演示加深學(xué)生對課堂內(nèi)容所涉及的過程控制理論有更深入的理解，根據(jù)課程進(jìn)度演示學(xué)生自行設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)方案，提高學(xué)生的參與積極性，點(diǎn)燃學(xué)生的興趣點(diǎn).在通知實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，由實(shí)驗(yàn)教師介紹虛擬控制實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)備、控制原理、預(yù)期效果、相關(guān)理論，學(xué)生在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊和指導(dǎo)文獻(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，鼓勵學(xué)生在原有控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教師在學(xué)生進(jìn)行二次創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進(jìn)行答疑指導(dǎo)、難點(diǎn)講解、提供文獻(xiàn)資料、開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備.引導(dǎo)學(xué)生以發(fā)現(xiàn)問題、驅(qū)動解決問題的思考理念進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)自查，并嘗試自主解決.學(xué)生經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn)后，將虛擬操作遇到的問題帶入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，有助于學(xué)生更有針對性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)操，有助于培養(yǎng)學(xué)生尋找問題、分析問題、尋找相關(guān)理論、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)、結(jié)果評估、實(shí)驗(yàn)總結(jié)的良性螺旋式循環(huán)的科研習(xí)慣，為學(xué)校科研型人才提供力量儲備[7].

2.3 形成定期評價與反饋機(jī)制

課程利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)探索新型式的教學(xué)過程中，針對教學(xué)效果采用完成1 個章節(jié)和1 個實(shí)操實(shí)驗(yàn)后，與學(xué)生進(jìn)行溝通，改進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)的授課機(jī)制，從課堂氣氛，虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是否詳細(xì)，虛擬實(shí)驗(yàn)安排是否合理，虛擬實(shí)驗(yàn)程序是否存在不足，哪些知識點(diǎn)需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，復(fù)雜虛擬實(shí)驗(yàn)控制策略提升，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書需要改進(jìn)之處，布置的相關(guān)提升類題目是否難度適中等不同層面進(jìn)行溝通.同時也鼓勵學(xué)生利用課間和預(yù)習(xí)操作實(shí)驗(yàn)之際與課題組進(jìn)行溝通，不斷完善虛擬控制實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)素材、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)操作系統(tǒng)、控制策略參數(shù)優(yōu)化等研究工作.

2.4 激發(fā)學(xué)生拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

開展虛擬控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，在有效提高學(xué)生對化工控制系統(tǒng)的深入了解，提高教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，在制作虛擬控制實(shí)驗(yàn)過程中，吸引一部分有能力、有精力的學(xué)生到制作團(tuán)隊(duì)中，將開發(fā)虛擬控制實(shí)驗(yàn)制作過程開源化，將對化工領(lǐng)域自動控制技術(shù)感興趣的學(xué)生引入到開放式實(shí)驗(yàn)室中.通過對虛擬實(shí)驗(yàn)涉及的軟件進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)或手把手教學(xué)，提高學(xué)生自動控制技術(shù)開發(fā)工具和基本控制程序編寫的能力.一方面可為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)選題提供新的選擇方向[8-9]；另一方面為學(xué)生后期開發(fā)智能型、高端化、工業(yè)化控制系統(tǒng)用于參加“大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“大學(xué)生程序設(shè)計(jì)大學(xué)”等課外比賽提供平臺.以學(xué)生為視角進(jìn)行開發(fā)的二次虛擬控制實(shí)驗(yàn)更符合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和接納度，將學(xué)生引入制作團(tuán)隊(duì)的過程拓寬了學(xué)生學(xué)習(xí)的知識面，并提高了學(xué)生的科研興趣[10].

3 結(jié)語

面對過程控制工程課程中專業(yè)背景和研究對象多為反應(yīng)器、反應(yīng)釜、換熱器、蒸發(fā)器、鍋爐等具有高壓、高熱、高能量，部分物理設(shè)備需要使用強(qiáng)電的設(shè)備與儀表，采用計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)備過程控制系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了物理設(shè)備不能著實(shí)反應(yīng)控制系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的短板.將Matlab/Simulink 軟件作為過程控制程序編程工具與組態(tài)軟件工業(yè)化設(shè)備模塊狀態(tài)化顯示進(jìn)行有機(jī)耦合，運(yùn)用多媒體技術(shù)，動畫動靜結(jié)合操作、圖片以及音頻等形式，將抽象化的問題轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w知識，可實(shí)現(xiàn)在無物理設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過圖形化虛擬控制過程動態(tài)顯示，直觀反應(yīng)過程控制系統(tǒng)各參數(shù)修改過程中虛擬設(shè)備的運(yùn)行狀況.有效將工業(yè)實(shí)體過程控制如實(shí)呈現(xiàn)在虛擬控制平臺中，將實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操控、工業(yè)自動化生產(chǎn)過程“搬遷”至課堂教學(xué)，幫助學(xué)生樹立工程實(shí)踐觀念，提高學(xué)生對知識的實(shí)踐應(yīng)用能力，提升了過程控制工程的課堂教學(xué)質(zhì)量.