仿真技術(shù)在熱工控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的研究與實(shí)踐

摘要：介紹了在自動(dòng)控制原理、分散控制系統(tǒng)（DCS）和過程控制系統(tǒng)等課程中采用仿真技術(shù)開展基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的實(shí)踐研究成果。在自動(dòng)控制原理課程中，以MATLAB為仿真工具，開展任務(wù)—行動(dòng)—總結(jié)等方式的基于行動(dòng)導(dǎo)向的教學(xué)；在DCS課程教學(xué)中，采用虛擬DCS和真實(shí)DCS相結(jié)合的教學(xué)方式，使學(xué)生在基于虛擬DCS的仿真教學(xué)中得到充分訓(xùn)練，在真實(shí)DCS教學(xué)中，達(dá)到對(duì)硬件系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)；在過程控制系統(tǒng)等課程教學(xué)中，以基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真機(jī)為行動(dòng)工具，開展基于行動(dòng)導(dǎo)向的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：DCS；過程控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制原理；仿真；行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）21-0053-02

目前，電力類高職高專院校火電廠熱工控制技術(shù)專業(yè)的主要課程教學(xué)中，熱工檢測(cè)儀表、自動(dòng)控制裝置等課程均可基于實(shí)際設(shè)備教學(xué)，設(shè)備基本能滿足教學(xué)要求。分散控制系統(tǒng)（DCS）課程，部分院校采用純理論教學(xué)，部分院校基于實(shí)際設(shè)備進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)。但由于DCS設(shè)備硬件較貴，各院校一般只能配備1～2套DCS設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)要求。自動(dòng)控制原理、過程控制系統(tǒng)、電廠程控保護(hù)系統(tǒng)等課程，由于難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)工廠環(huán)境教學(xué)，也未找到有效的仿真教學(xué)方法，絕大多數(shù)院校還采用傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式。采用純理論教學(xué)方式教學(xué)，學(xué)生感到抽象、難學(xué)，大大影響了教學(xué)效果。為此，有的院校在自動(dòng)控制原理、過程控制系統(tǒng)等課程的教學(xué)中采用MATLAB軟件作為實(shí)驗(yàn)工具，進(jìn)行少量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但這遠(yuǎn)不能滿足課程教學(xué)的需要。

自動(dòng)控制原理、分散控制系統(tǒng)（DCS）、過程控制系統(tǒng)等課程由于硬件條件的限制難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)工廠環(huán)境教學(xué)，那么能否找到有效的仿真教學(xué)方法，采用仿真技術(shù)開展基于行動(dòng)導(dǎo)向的教學(xué)呢？保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）自動(dòng)化專業(yè)教師在這方面做了大量的探索研究工作。

一、基于MATLAB軟件在自動(dòng)控制原理課程中開展行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)

自動(dòng)控制原理是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)，其具有三個(gè)特點(diǎn)：概念抽象；與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密；實(shí)踐性強(qiáng)。[1]目前大多數(shù)院校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)仍采用理論教學(xué)，伴有少量實(shí)驗(yàn)。由于理論較深，概念過于抽象，致使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)十分吃力，難以掌握自動(dòng)控制原理的基本思想和基本方法。

自動(dòng)控制原理是一門具有較強(qiáng)實(shí)踐性的工程科學(xué)，若將抽象出來(lái)的理論返回到實(shí)踐中，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，則必然能提升學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程的興趣，降低學(xué)習(xí)的難度。因此開發(fā)基于行動(dòng)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)情境，將抽象的理論形象化，是解決學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理課程困難的關(guān)鍵。自動(dòng)控制原理課程基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的媒介可采用MATLAB軟件。

MATLAB是國(guó)際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，在科學(xué)運(yùn)算、自動(dòng)控制與科學(xué)繪圖等領(lǐng)域具有其他軟件無(wú)法替代的地位，已成為全世界控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最流行和最受歡迎的軟件。MATLAB可以把幾乎所有的控制原理分析技術(shù)都用實(shí)驗(yàn)的方式顯現(xiàn)，[2]MATLAB 中的Simulink使系統(tǒng)的建模和仿真變得簡(jiǎn)化、直觀、形象。基于此，我院自動(dòng)化專業(yè)教師進(jìn)行了基于MATLAB軟件在自動(dòng)控制原理課程中開展行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的研究。

在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中，以MATLAB作為主要的仿真工具，采用任務(wù)—行動(dòng)—總結(jié)、任務(wù)—案例—學(xué)生做等模式進(jìn)行行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)。如在教學(xué)中可首先下達(dá)任務(wù)，提出學(xué)生要解決思考的問題；接著以MATLAB為工具通過學(xué)生的行動(dòng)實(shí)現(xiàn)啟迪；最后伴隨行動(dòng)總結(jié)得出結(jié)論。例如，在比例控制規(guī)律教學(xué)中，首先可以給學(xué)生下達(dá)任務(wù)：?jiǎn)?dòng)MATLAB的Simulink，組態(tài)比例控制系統(tǒng)，設(shè)置不同的比例系數(shù)KP，觀察控制曲線和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，分析比例帶大小對(duì)控制過程性能指標(biāo)的影響。同時(shí)提出學(xué)生在行動(dòng)中應(yīng)思考的問題：控制過程結(jié)束后系統(tǒng)是否存在穩(wěn)態(tài)誤差，等等。接著讓學(xué)生在simulink中進(jìn)行組態(tài)、實(shí)驗(yàn)，在行動(dòng)中觀察比例控制規(guī)律的特性，總結(jié)比例控制規(guī)律的特點(diǎn)。最后，教師和學(xué)生一起分析、總結(jié)，完成教學(xué)。

二、采用虛擬DCS實(shí)現(xiàn)分散控制系統(tǒng)（DCS）課程的基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)

DCS在火電廠中得到廣泛的應(yīng)用，在為數(shù)眾多的工業(yè)企業(yè)中也得到了大量的應(yīng)用，是目前極為重要的控制方式。各院校都很重視DCS教學(xué)，目前大多院校都購(gòu)置了DCS硬件。但由于DCS硬件及對(duì)象費(fèi)用較高，各院校一般只能配備1～2套相關(guān)設(shè)備。在教學(xué)中，由于設(shè)備少，學(xué)生只能一組一組地實(shí)驗(yàn)，大大影響了教學(xué)效果，不利于教學(xué)工作的開展。

如何解決DCS硬件設(shè)備少，學(xué)生缺少動(dòng)手學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)的問題呢？可設(shè)計(jì)如圖1所示的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案。[3]在該方案中，建設(shè)1～2套含有真實(shí)DCS控制柜和硬件對(duì)象的真實(shí)DCS系統(tǒng)；同時(shí)，開發(fā)包含虛擬控制柜和仿真對(duì)象的虛擬DCS系統(tǒng)。虛擬DCS系統(tǒng)可在學(xué)生計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)上都有一套。在教學(xué)時(shí)，學(xué)生先在虛擬DCS系統(tǒng)上進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)、下載、運(yùn)行調(diào)試等。此過程和在真實(shí)DCS上完全一致，絕大部分DCS的訓(xùn)練內(nèi)容都可在此虛擬DCS系統(tǒng)上完成。在學(xué)生經(jīng)過充分訓(xùn)練后，可再通過完成對(duì)真實(shí)DCS系統(tǒng)的控制、硬件的檢測(cè)，達(dá)到對(duì)真實(shí)DCS硬件系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)。

自動(dòng)化專業(yè)DCS實(shí)訓(xùn)室建設(shè)了一套含有新華DCS控制柜和高級(jí)過程控制對(duì)象的真實(shí)DCS硬件系統(tǒng)，同時(shí)基于新華DCS的虛擬DPU開發(fā)了一套和實(shí)驗(yàn)室真實(shí)硬件對(duì)象完全相同的虛擬對(duì)象和虛擬DPU控制柜。教學(xué)中，學(xué)生首先在虛擬DCS系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、畫面、控制邏輯等等的組態(tài)，組態(tài)可下載到操作員站和虛擬DPU中，并可在虛擬DCS系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)試和投參數(shù)等。在虛擬DCS系統(tǒng)上完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試后，只需將組態(tài)中的輸入、輸出接口根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)DCS硬件的接口做相應(yīng)修改（其余組態(tài)均不需改變），將組態(tài)下載到真實(shí)DCS中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)DCS硬件過程控制系統(tǒng)的控制。在虛擬DCS系統(tǒng)上教學(xué)時(shí)，除不能完成卡件維護(hù)等涉及硬件維護(hù)的教學(xué)外，幾乎可以完成在真實(shí)DCS上所能完成的所有DCS的教學(xué)。此種方式，由于學(xué)生可在虛擬DCS系統(tǒng)上得到充分訓(xùn)練，大大提高了教學(xué)效果。

三、采用基于虛擬DCS的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)在過程控制系統(tǒng)課程中開展基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)

基于行動(dòng)導(dǎo)向開展火電廠過程控制系統(tǒng)課程的教學(xué)是熱工自動(dòng)化教師長(zhǎng)期以來(lái)探索研究的一個(gè)問題。但是由于火電廠熱工控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和火電機(jī)組對(duì)象在教學(xué)環(huán)境下的不可復(fù)現(xiàn)性，很多高校教師都探索采用仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該課程的教學(xué)。目前最常見的方式為采用MATLAB進(jìn)行過程控制系統(tǒng)的仿真教學(xué)。但由于該方式的局限性（見下1所述），有些教師考慮采用全激勵(lì)式仿真機(jī)開展過程控制系統(tǒng)的教學(xué)，但難以實(shí)現(xiàn)（見下2所述）。為此，自動(dòng)化專業(yè)教師嘗試采用基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真機(jī)開展過程控制系統(tǒng)等課程的教學(xué)（見下3所述），并取得了良好的教學(xué)效果。

1.采用MATLAB實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)的仿真教學(xué)

在該種方式下，主要是讓學(xué)生在MATLAB中的Simulink環(huán)境下進(jìn)行控制系統(tǒng)的組態(tài)（例如圖2所示），進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，觀察控制效果。[4]

該種方式被大多數(shù)院校用于過程控制系統(tǒng)課程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也有個(gè)別學(xué)校基于此方式在過程控制系統(tǒng)課程中開展行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)。自動(dòng)化專業(yè)教師前期也做了基于MATLAB的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的探索和研究，在該方式下學(xué)生可以采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)的投參數(shù)實(shí)驗(yàn)，觀察控制效果。該種方式只能基于行動(dòng)導(dǎo)向完成過程控制系統(tǒng)課程的部分內(nèi)容教學(xué)，但難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制等復(fù)雜控制的教學(xué)。特別是采用MATLAB仿真方式，距離實(shí)際工廠環(huán)境差距巨大，學(xué)生不能得到面向工廠環(huán)境的真實(shí)訓(xùn)練。雖然如此，由于沒有更好地基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)環(huán)境，這也是目前大多數(shù)高校在過程控制系統(tǒng)課程教學(xué)中不得不采用的方法。

2.采用全激勵(lì)式仿真機(jī)開展過程控制系統(tǒng)的教學(xué)

隨著火電廠仿真技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全激勵(lì)式仿真機(jī)。全激勵(lì)式仿真機(jī)保留了分散控制系統(tǒng)的軟硬件，鍋爐、汽機(jī)、電氣等對(duì)象用仿真模型實(shí)現(xiàn)，仿真支撐系統(tǒng)模型運(yùn)行在模型計(jì)算機(jī)上。在全激勵(lì)式仿真機(jī)中，DCS部分與電廠完全一樣，可以保留電廠分散控制系統(tǒng)的全部功能。因此，學(xué)生可在全激勵(lì)仿真機(jī)上進(jìn)行邏輯的組態(tài)、邏輯的修改，系統(tǒng)的運(yùn)行、系統(tǒng)的調(diào)試等。學(xué)生如臨電廠真實(shí)的DCS工作環(huán)境，可以得到在現(xiàn)場(chǎng)工作一樣的真實(shí)訓(xùn)練效果。[5，6]

但是由于全激勵(lì)仿真機(jī)保留了分散處理單元（DPU）硬件，造價(jià)高，一個(gè)學(xué)校配置一套完全復(fù)現(xiàn)火電廠的全激勵(lì)式仿真機(jī)已實(shí)屬不易了。眾多的學(xué)生要在一套全激勵(lì)式仿真機(jī)上開展基于行動(dòng)導(dǎo)向的過程控制系統(tǒng)課程教學(xué)，教學(xué)效果顯而易見是不會(huì)很好的。因此很少有學(xué)校依靠全激勵(lì)式仿真機(jī)開展基于行動(dòng)導(dǎo)向的過程控制系統(tǒng)課程教學(xué)。

3.采用基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真機(jī)開展過程控制系統(tǒng)等課程的教學(xué)

由于全激勵(lì)式仿真機(jī)的造價(jià)高，近年來(lái)產(chǎn)生了基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真機(jī)。所謂虛擬DCS就是將真實(shí)DCS在非DCS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以某種形式再現(xiàn)。在虛擬DCS中，由虛擬DPU取代真實(shí)DPU硬件設(shè)備。虛擬DPU在非DCS的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，實(shí)際分散控制單元中的DPU功能移植到虛擬DPU軟件上。這樣整個(gè)虛擬DCS系統(tǒng)就可以脫離數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)運(yùn)算硬件設(shè)備而工作，節(jié)省大量硬件投資。圖3是實(shí)際DCS系統(tǒng)與激勵(lì)式仿真機(jī)系統(tǒng)的比較。[7]

虛擬DPU實(shí)現(xiàn)了和真實(shí)DPU幾乎完全一致的功能，火電廠的邏輯組態(tài)和人機(jī)界面（HMI）組態(tài)可以直接拷貝到基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真機(jī)中。在此仿真機(jī)上，學(xué)生可進(jìn)行邏輯的組態(tài)、邏輯的修改，系統(tǒng)的運(yùn)行、系統(tǒng)的調(diào)試等。學(xué)生所處的環(huán)境和電廠真實(shí)的DCS工作環(huán)境幾乎完全一致，[8]學(xué)生可以得到和在火電廠真實(shí)環(huán)境幾乎完全一致的訓(xùn)練。由于基于虛擬DCS的激勵(lì)式仿真機(jī)造價(jià)較低，一個(gè)實(shí)訓(xùn)室可配備多套，這樣學(xué)生可以分成多組，每組學(xué)生都可以在此種仿真機(jī)上基于行動(dòng)導(dǎo)向?qū)W習(xí)，都可以得到充分的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練機(jī)會(huì)。

我院自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)了9套基于虛擬DCS的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)。上位控制軟件為某火電廠完全真實(shí)的拷貝版，其運(yùn)行在虛擬DCS上，鍋爐、汽機(jī)等被控對(duì)象采用計(jì)算機(jī)仿真。教學(xué)時(shí)，按照給水控制系統(tǒng)的調(diào)試、燃燒控制系統(tǒng)的調(diào)試、……協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試等項(xiàng)目開展基于行動(dòng)導(dǎo)向的教學(xué)。學(xué)生可在此系統(tǒng)上進(jìn)行火電廠各熱工系統(tǒng)的組態(tài)修改、投運(yùn)、調(diào)試等工作，其和真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境完全一致，因此大大提高了教學(xué)效果。

四、結(jié)語(yǔ)

基于上述仿真技術(shù)開展基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)，由于學(xué)習(xí)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境幾乎完全一致，所學(xué)即為所用，提高了課程教學(xué)的針對(duì)性和適用性。學(xué)生在學(xué)習(xí)中基于行動(dòng)導(dǎo)向自主解決問題，提高了學(xué)生的興趣，降低了學(xué)習(xí)難度。同時(shí)在虛擬仿真環(huán)境，學(xué)生可做一些在現(xiàn)場(chǎng)不敢做的技術(shù)嘗試，提高了學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力。總之，上述將仿真技術(shù)應(yīng)用于熱工控制技術(shù)教學(xué)的方式，將可以很好地解決硬件設(shè)備貴和工廠環(huán)境難以再現(xiàn)的問題，從而促進(jìn)高職院校自動(dòng)控制原理、分散控制系統(tǒng)（DCS）和過程控制系統(tǒng)等課程基于行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)的開展。

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（責(zé)任編輯：王意琴）