面向工程實際的過程控制課程設計

孫昌躍+歐青立+李勇成

[摘 要] 過程控制課程設計是自動化專業的專修課程， 是理論聯系實際的關鍵教學環節。為了激發學生學習和培養學生工程意識，對實驗項目和實驗內容進行了重新調整。開發了基于LabVIEW的虛擬實驗平臺，并與實物實驗一起應用于教學和學生學習中，以更有效地促進學生的學習效果。本文結合互耦水槽液位控制實驗介紹了課程設計的開展情況。

[關鍵詞] 過程控制;課程設計;實驗教學

[中圖分類號] G642.4 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）04-0093-04

0 引言

過程控制方法是現代石化、生物制藥、鋼鐵等工業裝備運行操作的技術基礎。由于涉及較深的理論教學內容和復雜的工程背景，過程控制課程教學強調理論聯系實際并與工程實踐有機結合。另一方面，理論教學中的示例系統一般經抽象化處理且假設處于穩態工作狀態，學生對系統動態過程的理解通常也是概念化的。要促進學生的理論知識向實踐能力轉換，實踐教學環節起著重要作用。實踐教學有利于本科專業教育已獲得廣泛的共識，各種實踐教學模式也得到了研究和應用[1-5]。但如何在實踐教學環節中啟發學生的創新意識，培養學生的實踐能力，使學生在過程控制系統設計和分析過程中將所學的理論知識融會貫通，并掌握新技術、新方法，是一個值得探討的課題。

自2010年以來，借助國家級電子與電氣技術實驗教學示范中心建設的契機，圍繞構建科學的實踐教學體系、體現先進的教學方法和理念、提高教學效果和促進學生專業技能培養等幾個方面，對原有的過程控制實驗系統進行了升級改造。下面將介紹從過程控制實踐教學中獲得的一些體會。

1 過程控制課程設計教學目的及內容

1.1 過程控制課程設計教學目的

過程控制是自動化專業的一門專業課，通過本課程的學習，使學生掌握過程控制儀表的組成、原理、工程設計規范;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的設計及參數整定;了解常規過程控制系統的工程設計和計算機過程控制系統的原理、設計與應用。根據本專業培養計劃要求，設置了過程控制課程設計的實踐教學環節。其目的就是通過過程控制系統組成、設計與實現的全過程，強化學生對所學知識的理解、消化和吸收，培養學生綜合運用所學理論知識的能力。此外，通過對一個模擬工業過程控制系統的設計、安裝、調試，培養學生工程意識和實踐技能，促進學生綜合素質進一步提升和創新能力的養成，為畢業后的繼續教育、科學研究、技術開發打下良好基礎。

1.2 過程控制課程設計內容及要求

過程控制課程設計包含理論設計和動手實驗兩部分，強調理論聯系實際、理論與實際的有機結合。理論設計部分要求學生根據所學的理論知識和實踐技能設計一個具體的控制系統，包括系統的主電路和控制電路，選擇變送器、控制器、執行器等，畫出系統電氣原理圖。理論設計規定每個同學自己獨立完成設計，并提交一份設計說明書。動手實驗部分要求根據設計題目，完成單元電路安裝、系統組態、單元及系統調試等。課程設計的成績評定由實驗教師根據學生在整個集中實踐過程中的表現，包括理論設計、動手實驗、設備或系統制作、調試的結果進行綜合評定。

2 面向工程實際的過程控制動手實驗

2.1 過程控制動手實驗模式

過程控制動手實驗是課程設計的主要教學環節，這個環節的作用應該有助于強化和展示課本的專業理論，有益于學生動手能力的培養和分析、解決問題思維模式的養成。而如何理論聯系實際是實驗環節的重點、難點，也是學習知識的最終目的。基于面向工程實際的教學理念，更新了過程控制實驗的硬件設備并擴展了實驗場地，營造了一個具有工程背景的實驗環境。通過在真實環境中的實踐，學生可以驗證自己所學的理論知識，并且通過解決實驗過程中遇到的諸如噪聲干擾、設備波動等問題，鍛煉學生綜合運用知識解決實際問題的能力。由于受課時、場地、實驗設備等教學資源的限制，實物實驗通常是定時間、定地點、定內容、定人員。如果實驗前的準備工作不充分或對相關理論知識理解不透，學生很難獲得較好的學習效果。為了彌補實物實驗的缺陷，提高實物實驗的教學質量，開發了基于LabView的虛擬實驗平臺。由于LabView采用圖形化虛擬儀器框架，對虛擬儀器技術有強大支持，所構建的虛擬實驗能提供十分逼真的畫面而且功能強大。采用虛擬實驗平臺，不但可以進行預前實驗，而且可以進行儀器儀表輔助工具使用的訓練，一定程度上緩解了教學資源緊張的問題。更重要的是，虛擬實驗的動態過程形象化設計更便于學生直觀地理解理論知識，從而激發學生進行探索性、主動性和創造性學習。這種“實物實驗與虛擬實驗相結合”的混合實驗模式，為學生提供了基于Kolb體念學習的條件，即通過具體體驗、反思觀察、抽象概括和主動實驗四個階段，形成一個知識獲取和構建的良性循環，從而營造知識構建的理解、轉換二維過程，這個過程對于提高實驗教學效果具有重要作用[6，7]。

2.2 過程控制課程設計項目及動手實驗實施情況

過程控制課程設計包括如下項目：（1）互耦水箱液位控制系統;（2）鍋爐夾套與內膽水溫串級控制系統;（3）比值控制系統;（4）鍋爐內膽水溫的前饋-反饋控制系統;（5）滯后控制系統;（6）鍋爐夾套與內膽水溫解耦控制系統。為充分利用實驗資源，將每個教學班分成若干組，每個組3～4人，每組學生通過抽簽方式選擇一項進行課程設計。動手實驗采用任務引導、問題驅動的方式和實物實驗與虛擬實驗交叉安排的形式進行，下面以互耦水箱液位控制系統設計為例，介紹動手實驗的實施情況。

互耦水箱液位控制動手實驗包括如下任務：（1）互耦水箱特性測試與建模;（2）互耦水箱液位PID控制器設計;（3）常規ZN-PID控制算法與MIC-PID算法性能比較。為了加深學生對相關理論知識的理解、熟悉數字示波器等儀器儀表的使用方法，以提高實物實驗的教學效果，為學生提供了基于LabView的互耦水箱液位控制虛擬實驗平臺（見圖1）和配套的指導書。學生既可以在等待實物實驗期間進行仿真作為預前實驗準備，也可以利用課余時間自主進行問題驅動的仿真研究。實物實驗的互耦水箱液位控制實驗系統硬件配置如圖2所示。

1）互耦水箱特性測試與建模。這個單元的設計任務要求學生通過實驗了解互耦水箱特性，并采用合適的方法對互耦水箱進行建模。實驗安排測試、觀測不同閥門開度時的液位動態變化曲線，以理解所建模型參數隨不同工作點變動的原因。圖3顯示了控制閥門不同開度時液位的變化曲線。如圖3所示，互耦水箱液位的動態特性相當直觀，即增大控制閥門液位會升高，而減小控制閥門液位會降低。但相同增量的閥門開度會導致不同的液位變化曲線，這表明互耦水箱系統具有一定的非線性特性。這種非線性特性的結果是針對某一工作液位設計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，為了準確描述互耦水箱系統的特性以獲得較好的控制效果，應對工作點的液位進行動態特性測試以獲得建模數據。

互耦水箱的建模包括基于實驗數據的建模和模型驗證。如圖4所示，實驗數據含有噪聲，若不通過消噪處理而直接采用實驗數據進行建模，所建模型與互耦水箱實際動態特性可能產生較大誤差，從而可能導致基于互耦水箱模型設計的控制器性能不理想。通過引導學生考慮各種有效的方法，如常規圖形解析建模前的實驗數據預濾波處理、面積建模法等[8]，采用一階慣性+時延環節的傳遞函數模型可以較好地適配互耦水箱液位動態響應曲線。

這個單元利用實驗系統所反映出的非線性特性、噪聲等現象，擬為學生營造實際工程環境，更為重要的是培養學生利用所學知識解決實際工程問題的能力，積累實際工程經驗。

2）互耦水箱液位PID控制器設計。這個單元的設計任務涉及常規PID控制器結構的選擇與參數整定。為了使學生充分了解PID每個控制部分的作用，要求學生對不同比例常數Kp的P控制、不同微分時間常數 d的PID控制、P控制與PI控制、PI控制與PID控制進行對比研究。觀察不同控制參數變化、不同的控制結構對系統穩態誤差、動態響應速度、干擾抑制效果、控制器輸出和測量噪聲所產生的作用。如增大Kp的P控制可以加快系統動態響應速度和減小穩態誤差（圖5所示），而增大 d的PID控制可以抑制系統階躍響應的超調（圖6所示）。另外，通過PI控制與PID控制的比較，讓學生了解噪聲環境下微分控制作用會導致控制信號噪聲的放大（圖7所示），這種效應會對控制閥產生不利影響。因此，在噪聲環境下采用微分控制時，應選擇具有濾波功能的PID控制。

這個單元通過上述問題的探討，擬強化學生對所學知識的理解和加深對實際工程問題的認識。通過具體體驗、反思觀察、抽象概括與行動應用的完整過程，學生將書本知識轉化為自己的直接經驗，促進所學專業知識的內化。

3）常規ZN-PID控制算法與MIC-PID算法性能比較。這個單元的設計任務涉及研究性學習，要求學生在教師的指導下進行基于內模控制的PID控制方法的研究。大多數過程控制教材一般只介紹經典PID控制參數整定方法如齊格勒-尼科爾斯（Ziegler-Nichols method）的切線法和臨界振蕩法，對工業界已廣泛采用的基于內模控制的PID控制方法（MIC-PID）幾乎沒有涉及。這個設計單元安排學生閱讀MIC-PID控制方法文獻[9]，在教師的指導下進行常規ZN-PID控制算法與MIC-PID算法性能比較研究。實驗內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的動態性能研究。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控制所對應的控制輸出信號變化幅度更小且更加平滑，這一特點對控制閥門而言較為有益。

這個單元旨在通過引導學生進行研究性學習，培養學生自主學習的能力，擴展學生的視野。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，為實際工程應用積累經驗。

3 結束語

總之，結合對過去實踐教學的反思和對工程實驗環節在學生專業學習作用的重新定位，就過程控制課程設計的實驗項目、內容和實驗模式進行了調整。通過過程控制實驗系統升級改造和實驗環節完善，一方面使實驗能起到激發學生專業興趣的作用;另一方面，為學生發展專業技能營造工程環境。通過實物實驗與虛擬實驗的交叉實驗模式和任務引導、問題驅動的實驗方式，為學生構建了面向工程實際、便于自主學習和交流的實驗學習環境。這種實驗模式強調體驗在學習中的作用，注重開闊學生思路，培養學生適應變化，從“感受” 中學習;注重培養學生細心觀察，多視角多維度地看待問題、理解學習內容;注重學生思考、客觀邏輯地分析問題，運用已有的知識開動腦筋、積極思考;強調從做中學，鼓勵學生勇于探索，并采取具體的方法解決實際問題。經過幾年的實踐，面向工程實際的過程控制課程設計在學生中獲得了良好反映，今后筆者將不斷完善現有課程設計，探索基于Web的過程控制實驗方法，為學生在線自主學習提供平臺。

參考文獻

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