研究生課程“控制系統(tǒng)仿真”的教學(xué)改革

王書斌,左 信,羅雄麟,許 鋒

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)自動(dòng)化系,北京 102249)

0 引言

“控制系統(tǒng)仿真”是自動(dòng)化類、機(jī)電類、電氣信息類專業(yè)以及其它相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程[1]。開(kāi)設(shè)該課程的目的可以培養(yǎng)研究生運(yùn)用所學(xué)的控制理論解決問(wèn)題的實(shí)踐能力,并可以讓研究生能夠更快地開(kāi)展學(xué)位論文工作。但我校“控制系統(tǒng)仿真”目前主要存在如下問(wèn)題:①忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié);②自動(dòng)化系研究生的學(xué)位論文主要涉及過(guò)程控制和流程模擬與優(yōu)化、電力系統(tǒng)控制、先進(jìn)控制理論的研究等,涉及的軟件有g(shù)PROMS、UniSim、ETAP、Matlab等,而在“控制系統(tǒng)仿真”課程中只涉及了Matlab,造成寫論文前需要重新學(xué)習(xí)這些軟件,沒(méi)有起到承上啟下的作用;③講課的內(nèi)容與本科生課程“控制系統(tǒng)仿真”重復(fù)過(guò)多。鑒于以上幾種情況,我們對(duì)該研究生課程進(jìn)行了改革。

1 課程主線的制定

“控制系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)主線包括:流程模擬與優(yōu)化仿真、先進(jìn)控制系統(tǒng)仿真、電力系統(tǒng)仿真及應(yīng)用的仿真工具(Matlab、gPROMS、UniSim、ETAP等)。

Matlab軟件包括 Matlab和Simulink兩大部分。gPROMS流程模擬軟件是PSE公司開(kāi)發(fā)的通用工藝過(guò)程模擬系統(tǒng),為當(dāng)今世界上先進(jìn)的工藝過(guò)程建模、模擬和優(yōu)化軟件包。gPROMS適用于加工業(yè),用來(lái)建立連續(xù)或間歇工藝過(guò)程的模型,進(jìn)而對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行模擬和優(yōu)化。UniSim是Honeywell公司將原有的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)Shadow Plant,OTISS與H YSYS整合后,形成了集流程設(shè)計(jì)、靜態(tài)模擬、動(dòng)態(tài)仿真和過(guò)程優(yōu)化于一體的綜合軟件。ETAP軟件是美國(guó)Operation Technology,Inc.公司開(kāi)發(fā)的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件,具有虛擬現(xiàn)實(shí)操作、數(shù)據(jù)的全面集成和簡(jiǎn)明數(shù)據(jù)錄入等特點(diǎn)。

課程包括實(shí)驗(yàn)和課堂授課兩種方式,在課時(shí)安排上加大了實(shí)驗(yàn)課課時(shí),可以提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。在課堂授課中采取理論講解和仿真演示并用,可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 仿真理論和仿真工具

仿真理論部分內(nèi)容包括:控制系統(tǒng)仿真中易遇到的問(wèn)題、流程模擬與優(yōu)化仿真、預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)仿真、模糊預(yù)測(cè)控制仿真和電力系統(tǒng)仿真等。控制系統(tǒng)仿真的問(wèn)題主要介紹在一般控制系統(tǒng)仿真過(guò)程中的難點(diǎn)、當(dāng)仿真失真時(shí)需要調(diào)節(jié)哪些參數(shù)等;流程模擬與優(yōu)化仿真主要講述對(duì)于復(fù)雜的過(guò)程如何實(shí)現(xiàn)仿真,仿真過(guò)程會(huì)遇到哪些問(wèn)題等;預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)仿真主要從仿真角度出發(fā)講述對(duì)于復(fù)雜的被控對(duì)象有哪些預(yù)測(cè)控制算法、如何選擇與實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)控制算法和在仿真過(guò)程中需要設(shè)計(jì)哪些參數(shù)等;模糊預(yù)測(cè)控制仿真主要講述模糊控制主要有哪些、如何選擇和實(shí)現(xiàn)仿真和仿真時(shí)需要注意哪些問(wèn)題等;電力系統(tǒng)仿真主要講述電力系統(tǒng)的組成和如何實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真等。

仿真工具部分教學(xué)內(nèi)容如下:Matlab及Simulink交互式仿真環(huán)境、電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP軟件應(yīng)用、動(dòng)態(tài)流程模擬軟件gPROMS應(yīng)用及流程模擬軟件UniSim應(yīng)用。該部分的只是讓學(xué)生初步了解仿真軟件,在做學(xué)位論文時(shí)還需深入的了解所用到的相關(guān)軟件。

3 實(shí)踐環(huán)節(jié)

研究生的實(shí)驗(yàn)課中,綜合設(shè)計(jì)性的內(nèi)容占本課程的90%以上。我們利用購(gòu)買的Matlab和ETAP正版軟件,安排了如下綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)課:①連續(xù)全返混式反應(yīng)釜(CST R)非線性控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn);②CSTR控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制仿真實(shí)驗(yàn);③CSTR控制系統(tǒng)的模糊控制仿真實(shí)驗(yàn);④電力系統(tǒng)仿真試驗(yàn)及復(fù)雜化工過(guò)程gPROMS軟件仿真試驗(yàn);⑤復(fù)雜化工過(guò)程UniSim模擬試驗(yàn)。

綜合性實(shí)驗(yàn)課以化工過(guò)程CST R為主線,本課程實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的串級(jí)CSTR非線性控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一個(gè)混合了反應(yīng)物和溶劑的進(jìn)料流、一個(gè)輸出流和一個(gè)冷卻水流。

圖1 CST R方框圖

圖中qc為冷卻水流量,q為進(jìn)料流量,C1,C2出口濃度,,為出口溫度。狀態(tài)變量x,系統(tǒng)輸出y和操縱變量u分別定義如下:x=[C1,T1,C2,]T,y=,u=qc,即通過(guò)控制冷卻水的流量qc控制反應(yīng)器的出口溫度T2。

實(shí)驗(yàn)課主要圍繞該系統(tǒng)循序漸進(jìn)展開(kāi),實(shí)驗(yàn)①CST R非線性控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)主要讓學(xué)生了解該系統(tǒng)的特性,為以后的控制實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ);實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)③主要讓學(xué)生把所學(xué)的預(yù)測(cè)控制理論及模糊控制理論應(yīng)用于CSTR系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)④和實(shí)驗(yàn)⑤主要利用gPROMS和UniSim軟件實(shí)現(xiàn)CST R系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化。

本課程總課時(shí)共32課時(shí),實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課從原來(lái)的10課時(shí)增加到20課時(shí),占總學(xué)時(shí)的62.5%。為了保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,我們做到如下要求:①提前兩天將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容布置給學(xué)生,要求在實(shí)驗(yàn)前寫預(yù)習(xí)報(bào)告;②保證學(xué)生人手一機(jī);③加強(qiáng)考勤,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師全程答疑輔導(dǎo);④實(shí)驗(yàn)后通過(guò)電子郵件提交電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告,教師進(jìn)行批改和評(píng)分。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)課堂和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生能夠在理論課上積極思考問(wèn)題、提出問(wèn)題和回答問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)課上能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn),并且有一部分學(xué)生會(huì)提出好幾種仿真方案與教師探討。

我們通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究生學(xué)習(xí)了“控制系統(tǒng)仿真”課程能使他們順利完成從大學(xué)生到研究生的轉(zhuǎn)變,并迅速進(jìn)入學(xué)位論文的階段,論文水平明顯提高。

[1] 施彥,翁貽方,韓力群.《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].北京:中國(guó)電力教育,2008,112:74-75

[2] 史冬琳,韓莉,馮玉昌.《控制系統(tǒng)CAO及計(jì)算機(jī)仿真》課程教學(xué)改革[J].吉林:東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(5):34-37

[3] 梅從立,廖志凌,劉國(guó)海.“控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真”教學(xué)改革與實(shí)踐[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(6):79-80