“計(jì)算機(jī)過程控制工程”在線教學(xué)實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐

［摘 要］ “計(jì)算機(jī)過程控制工程”是實(shí)踐性很強(qiáng)的自動(dòng)化核心課程，學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)卻面臨無法到實(shí)驗(yàn)室操作儀器設(shè)備的難題。為了解決上述難題，“計(jì)算機(jī)過程控制工程”課程重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了深入的探索與實(shí)踐，具體開展了水箱液位控制遠(yuǎn)程實(shí)體實(shí)驗(yàn)的改革創(chuàng)新。借助向日葵遠(yuǎn)程控制軟件的遠(yuǎn)程接入能力和無線視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在校外對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有三容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，解決了現(xiàn)場操作實(shí)驗(yàn)課程線上難開展的問題。

［關(guān)鍵詞］ 在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)；過程實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)過程控制

［基金項(xiàng)目］ 2022年度北京石油化工學(xué)院教育教學(xué)改革和研究項(xiàng)目“‘雙一流’建設(shè)背景下的計(jì)算機(jī)過程控制工程課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（ZD202003001）；2023年度北京信息科技大學(xué)教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目“新工科背景下的智能測評系統(tǒng)研究與實(shí)踐——以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程為例”（2023JGZD02）

［作者簡介］ 李振軒（1985—），男，山東菏澤人，工學(xué)博士，北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高等職業(yè)教育、控制理論研究；范玲玲（1987—），女，河北唐山人，工學(xué)博士，北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系主任，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事高等教育、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)濾波與控制研究；劉 昱（1983—），男（回族），云南楚雄人，工學(xué)博士，北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院副院長，教授，主要從事高等教育、大學(xué)生思想政治教育研究。

［中圖分類號］ G434；TP3-4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）17-0137-04 ［收稿日期］ 2023-03-06

引言

2020年，時(shí)任教育部高等教育司司長的吳巖提出，高校復(fù)學(xué)之后，在線教學(xué)將從“新鮮感”走向“新常態(tài)”，從“單聲道”向“雙聲道”轉(zhuǎn)變。為了保證教學(xué)質(zhì)量，教育界的專家學(xué)者以及教師從授課平臺、授課形式、考核方式等多個(gè)角度進(jìn)行了探討和分析，盡管學(xué)校已經(jīng)有了豐富的教學(xué)管理經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是對于如何高質(zhì)量地開展在線教學(xué)仍顯經(jīng)驗(yàn)不足，需要進(jìn)行動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程在推進(jìn)過程中會(huì)遇到更大的困難［1-5］。

計(jì)算機(jī)過程控制工程是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的控制工程。它主要涉及對生產(chǎn)過程中的物理量、化學(xué)量、電氣量等進(jìn)行監(jiān)測、控制，以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)。計(jì)算機(jī)過程控制工程的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)和開發(fā)控制系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)過程控制工程課程中重要的一環(huán)。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以深入理解系統(tǒng)的基本原理、掌握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和調(diào)試技巧，培養(yǎng)實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的能力。文獻(xiàn)［6］在實(shí)驗(yàn)中加入了系統(tǒng)辨識內(nèi)容，并將翻轉(zhuǎn)課堂引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生對理論知識有更加深刻的理解，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提高其解決問題的能力以及培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。文獻(xiàn)［7］基于PPT+MOOC形式的線上線下混合式教學(xué)，對課堂教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，將“模塊化”“可視化”“虛擬現(xiàn)實(shí)化”等設(shè)計(jì)方法融入課程教學(xué)中，滿足了混合式教學(xué)及翻轉(zhuǎn)課堂的需要。文獻(xiàn)［8］開發(fā)了基于組態(tài)軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，該仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面的探索降低了教學(xué)難度，強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)踐能力，提高了學(xué)生綜合素質(zhì)。上述工作包括對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改變以及實(shí)驗(yàn)教材的改革等，能夠在正常的教學(xué)秩序中發(fā)揮作用。

水箱液位控制實(shí)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式，學(xué)生通過“看、操、調(diào)”的方式，理解水箱液位控制工藝、掌握獲取對象數(shù)學(xué)模型的方法、系統(tǒng)的投運(yùn)參數(shù)整定方法。本論文將研究遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，增加實(shí)驗(yàn)的靈活性，使學(xué)生可以靈活開展實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制；另一方面增加人機(jī)交互的真實(shí)感。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生在校外對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有三容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，解決了現(xiàn)場操作實(shí)驗(yàn)課程線上難開展的問題。

一、遠(yuǎn)程教學(xué)環(huán)境開發(fā)

課程重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了深入的探索與實(shí)踐，具體開展了水箱液位控制遠(yuǎn)程實(shí)體實(shí)驗(yàn)的改革創(chuàng)新。教師在實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，利用已搭建的實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)，借助向日葵遠(yuǎn)程控制軟件監(jiān)控設(shè)備，學(xué)生在校外對實(shí)驗(yàn)室三容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作。

（一）實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化改造方案

系統(tǒng)包括工藝裝置和控制服務(wù)器?？刂品?wù)器是運(yùn)行上位機(jī)控制程序的平臺，學(xué)生遠(yuǎn)程登錄控制服務(wù)器，將控制服務(wù)器通過無線的方式與實(shí)驗(yàn)室的無線路由器連接，保證控制服務(wù)器連接互聯(lián)網(wǎng)；RS485通信速率高，運(yùn)行穩(wěn)定，利用RS485實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)工藝裝置電氣柜與控制服務(wù)器的雙向通信，保障控制信號及采集的液位信號穩(wěn)定高速傳遞；此外，實(shí)驗(yàn)還配置了將實(shí)驗(yàn)室真實(shí)畫面遠(yuǎn)傳給學(xué)習(xí)端的視頻監(jiān)控設(shè)備，學(xué)生可以看到液位高度的變化、控制閥的動(dòng)作，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的操作感。實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）遠(yuǎn)程接入

采用遠(yuǎn)程桌面接入的方式來訪問實(shí)驗(yàn)室。向日葵軟件是一個(gè)支持多系統(tǒng)多設(shè)備間相互遠(yuǎn)程控制的軟件，具有遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程辦公等功能。通過使用向日葵軟件，可遠(yuǎn)程控制其他電腦。在每臺控制服務(wù)器的后臺安裝向日葵遠(yuǎn)程控制軟件，教師記錄每臺機(jī)器上向日葵的ID和密碼；學(xué)生利用教師分發(fā)的ID和密碼即可登錄對應(yīng)的控制服務(wù)器，在家中打開水箱液位控制系統(tǒng)軟件和視頻監(jiān)控界面。

（三）視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控

利用視頻監(jiān)控，學(xué)生能夠感受真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景。實(shí)驗(yàn)室裝備了TP-LINK無線監(jiān)控室外攝像頭云臺球機(jī)，云臺球機(jī)控制平臺基于B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。學(xué)生通過已分配的云臺球機(jī)賬號及登錄密碼，即可登錄云臺球機(jī)控制臺，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括液位高度、控制閥開度等。

二、實(shí)驗(yàn)操作流程

本次過程控制實(shí)驗(yàn)選用A3000過程控制裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，包括四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（一）了解過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，選擇工藝流程、構(gòu)成控制系統(tǒng)

過程控制實(shí)驗(yàn)裝置包含現(xiàn)場系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，A3000現(xiàn)場系統(tǒng)包括三容水箱、一個(gè)鍋爐、一個(gè)強(qiáng)制換熱器、兩個(gè)水泵、兩個(gè)流量計(jì)、一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、一個(gè)加熱盤管、一個(gè)儲水水箱。

控制系統(tǒng)的工藝為儲水水箱的水通過一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入水泵，然后流經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，再經(jīng)過一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，最后流入水箱，水箱出水擋板開度一定，水會(huì)通過管道流回儲水水箱。

（二）采用階躍響應(yīng)曲線法進(jìn)行液位對象動(dòng)態(tài)特性的測試、獲得動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，獲得PID控制器參數(shù)值的工程經(jīng)驗(yàn)初始值

階躍響應(yīng)曲線法獲得水箱液位動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的步驟為：系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥固定開度，待液位進(jìn)入平衡狀態(tài)；調(diào)節(jié)閥增加一定開度，待液位再次進(jìn)入平衡狀態(tài)；記錄液位從第一次穩(wěn)定到第二次穩(wěn)定的輸出變化曲線以及調(diào)節(jié)閥開度的變化量；按照擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定參數(shù)，得到被控對象的模型參數(shù)；根據(jù)PID參數(shù)整定表確定PID的初始參數(shù)。

（三）液位控制系統(tǒng)的投運(yùn)，參數(shù)整定

按照4∶1衰減曲線法整定參數(shù)的步驟為：先將控制器變?yōu)榧儽壤饔?，并將比例度預(yù)置在較大的數(shù)值。在達(dá)到穩(wěn)定后，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察被控變量記錄曲線的衰減比，然后從大到小改變比例度，直至出現(xiàn)4∶1衰減比，記下此時(shí)的比例度，得到衰減周期Ts，最后求出控制器的參數(shù)整定值。

（四）液位控制系統(tǒng)的抗干擾實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以下水箱為被控對象，要求系統(tǒng)被控量在系統(tǒng)受到干擾的情況下，仍能夠回到原平衡狀態(tài)，控制規(guī)律為PI或PID。在液位穩(wěn)定時(shí)，使用其他容器向水箱內(nèi)注入水，觀察液位是否再次回到原來的液位高度。

學(xué)生在開始實(shí)驗(yàn)前，觀看老師錄制的視頻，包括實(shí)驗(yàn)裝置的講解、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)以及實(shí)驗(yàn)流程操作，在此基礎(chǔ)上，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；當(dāng)學(xué)生通過觀看錄制的視頻后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的騰訊會(huì)議，詢問實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)備情況，包括實(shí)驗(yàn)裝置的接線是否完成、水箱的出水閥門開度是否固定、水箱的進(jìn)水閥門是否完全打開、向日葵遠(yuǎn)程控制軟件是否打開等，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師確認(rèn)上述內(nèi)容全部準(zhǔn)備完畢，學(xué)生使用向日葵遠(yuǎn)程控制軟件連接實(shí)驗(yàn)室的控制服務(wù)器；待遠(yuǎn)程連接成功，學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)室控制服務(wù)器的操縱權(quán)，圖2為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的操作流程圖。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用效果

2022春季學(xué)期，學(xué)生按照既定的分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在家操作實(shí)驗(yàn)室的三容水箱液位控制設(shè)備，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)效果與線下實(shí)驗(yàn)效果近似，都能夠順利完成水箱特性測試實(shí)驗(yàn)和控制器參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)液位輸出曲線的4∶1衰減比。從整體效果來看，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍能夠有效地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能。

四、存在的問題及遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)改革總結(jié)

在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程中，有如下問題有待進(jìn)一步改革創(chuàng)新：（1）學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室真實(shí)體驗(yàn)感有待提高，當(dāng)前每個(gè)實(shí)驗(yàn)室安裝了一個(gè)云臺監(jiān)控設(shè)備，角度固定，同學(xué)們只能看到一個(gè)靜止的畫面，下一步將開發(fā)遠(yuǎn)程端的云平臺操作，進(jìn)行調(diào)焦、上下/左右旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端對水箱各部分的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。（2）遠(yuǎn)程登錄軟件功能的增加，當(dāng)前只使用遠(yuǎn)程登錄軟件的基本功能，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，每次開機(jī)登錄賬號會(huì)發(fā)生變化，并且穩(wěn)定性差，需要每次向同學(xué)們更新賬號并且同學(xué)們在遠(yuǎn)端操作會(huì)出現(xiàn)連接中斷的問題，下一步將購買穩(wěn)定版本的遠(yuǎn)程登錄軟件。

課程在線教學(xué)實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生在校外對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，解決了現(xiàn)場操作實(shí)驗(yàn)課程線上難開展的問題。此外，探索了在線教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對于實(shí)驗(yàn)條件豐富的教學(xué)單位，利用提出的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)框架，可為實(shí)驗(yàn)條件差的邊遠(yuǎn)山區(qū)提供實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)資源的共享。

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Exploration and Practice of Online Teaching Experiment of Computer Process Control Engineering

LI Zhen-xuan1， FAN Ling-ling2， LIU Yu1， ZHAO Guo-xin1， WEI Qing-xuan1

（1. School of Information Engineering， Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China; 2. School of Automation， Beijing Information Science amp; Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： “Computer Process Control Engineering” is a highly practical automation core course， but students are unable to operate the laboratory instruments and equipment in the teaching link. In order to solve the above problems， “Computer Process Control Engineering” focuses on the experimental teaching and carries out in-depth exploration and practice， which includes reform and innovation of remote entity" experiment of water tank level control.With the help of the remote access ability of Sunflower remote control" software and wireless video monitoring equipment， students can realize the remote monitoring and operation of the" existing three-tank water level control experimental device in the laboratory outside the school， which solves the problems of the experiment course.

Key words： online experimental teaching; process experiment; computer process control