基于雙容水箱液位控制案例的過程控制系統教學研究

胡銀龍　王冰

摘要：過程控制系統以工業生產過程為對象，融合控制理論與方法、自動化儀表等技術手段，是一門理論和實踐結合較強的自動化專業課程。本文以基于Simulink的雙容水箱液位控制系統為例，結合課程中串級控制等教學內容，探討實例化的對照教學方法在過程控制系統課堂教學中的應用問題。通過對抽象教學內容的實例化和可視化，加深學生的直觀感，增加學生的學習興趣，提升教學效果。

關鍵詞：過程控制；Simulink仿真；實例化教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0179-02

一、引言

“過程控制系統”是自動化專業的一門理論和實踐結合較強的專業課，涉及的內容較為廣泛，主要包括控制系統建模、自動化儀表、控制理論和控制系統分析與設計等[1]。課程教學的主要目的是讓學生在了解、熟悉、掌握工業工藝生產流程和生產過程的靜、動態特性基礎上，根據工藝要求，綜合運用控制系統中的基本理論、現代控制技術方法，分析、設計與制定過程控制系統，從而提高學生的分析問題和解決問題能力[2]。作為有明確工程導向的專業課程，過程工業中的很多實際應用案例都有相應的理論為支撐，而課程中的大量概念和理論也都可用直觀的案例或圖形圖像來表現其內在本質。然而，一方面，在基礎理論的學習中，概念和理論的數學化講解占據了主導地位，導致部分學生無法將學到的理論知識進行可視化和工程化；另一方面，在實踐課程的學習中，重動手仿真能力而輕理論分析，導致部分學生無法透過實驗中的現象認識內在機理。因此，在教學的過程中，如何在理論分析與工程實踐之間搭建起溝通的橋梁，引導學生形象化地學習抽象的理論方法、理論化地分析實踐中的客觀現象，讓學生在理論與實踐間靈活切換，從工程的角度幫助學生建立“系統、信息、控制”的基本概念，是“過程控制系統”這門課程需要持續探討的話題，具有重要的現實意義。

隨著現代工業的發展、科學研究的深入與計算機軟、硬件的發展，計算機仿真技術已成為分析、綜合各類系統特別是大系統的一種有效的研究方法和有力的研究工具，計算機仿真技術已經廣泛應用在各技術領域、各學科內容和各工程部門[3]。在過程控制理論和實踐的教學中，可通過計算機仿真使學生在無須親臨工業生產現場的情況下，充分了解和掌握各類過程工業系統的特點以及相應的控制方法與參數整定方法[4]。為充分發揮計算機仿真的作用，本文以基于Simulink的雙容水箱液位控制系統為例，研究實例化的對照教學方法。

二、基于雙容水箱液位控制系統的教改思路

液位是過程控制工業常見的控制量之一，雙容水箱液位控制系統是過程控制系統教學中常用教學案例之一，控制目標為通過調節上水箱入水量來保持下水箱液位在某一給定值。本文通過數學建模分析、Simulink仿真模型的建立、控制方法對照分析等，來探討實例化的對照教學方法在過程控制系統課程中的應用。

1.液位系統物理建模。對于雙容水箱系統，水流通過調節閥流入上水槽內，而后由上水槽流出到下水槽。若記流入量Qi，流出量Q2，中間流量Q1，上下水箱水位高度h1、h2，上下水箱底面積為A1、A2，通過列些系統動態微分方程并經過拉普拉斯變換，即可得到雙容水箱系統的傳遞函數。

2.控制方法對照分析教學。串級控制是過程控制工業中常用的控制策略，其可以有效改善過程品質，得到了廣泛的應用，是過程控制課程中重要的控制方法[1]。與簡單單回路控制系統相比，串級控制系統結構上存在兩個閉環，分別負責控制過程中的粗調和細調任務。此外，由于副回路的存在，串級控制增強了克服干擾的能力，提高了系統的響應速度，改善了系統的控制質量[2]。在教學過程中，常常采用簡化對象模型，然后經過嚴格的數學推導，對串級控制系統的上述優點進行論證。這種教學方法雖然可以幫助學生建立系統的分析和解決問題能力，保持課堂內容的嚴謹性，然而，由于缺乏實例化和可視化的直觀感受，學生往往無法從“量”和“質”兩個角度全面地理解串級控制的內涵。因此，我們以雙容水箱液位控制為例，探討實例化的對照教學方法。圖1所示為基于Simulink的單回路和串級雙容水箱控制系統框圖，通過對比，兩類控制系統結構上的差別一目了然，學生可對串級和單回路控制系統結構上的區別有更加直觀的認識。雙容水箱液位控制系統對象模型并不復雜，并且Simulink是自動化專業常用的仿真軟件之一，因此以基于Simulink的雙容水箱液位控制系統為教學案例進行課堂演示，有助于學生更好地理解和消化課堂教學中的基本概念，建立完整的知識系統。

圖2所示為串級控制與單回路控制的階躍響應仿真結果，反映了兩種控制方法性能上的差異。通過對比，學生從“量”的角度，對兩類控制方法有了比較清楚的認識。此外，課堂上也可直接演示該Simulink仿真系統，使學生對PID控制、串級系統、參數整定等教學內容有更直接的體驗，增強學生的學習興趣，提升教學效果。

三、結語

本文結合雙容水箱液位控制系統，探討了實例化對照教學方法在過程控制課程教學中的應用問題，將課程中的抽象概念轉化為具體實例，學生對知識的直觀感得到有效的加深，因此增強了學生的學習興趣，最終提升了教學效果。

參考文獻：

[1]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]陳夕松，汪術蘭.過程控制系統[M].北京：科學出版社，2005.

[3]徐勇.計算機仿真技術教學方法思考與探討[J].電腦知識與技術，2012，8（18）：4453-54.

[4]陳夕松，張景勝.過程控制發展綜述與教學探討[J].南京工程學院學報，2002，2（1）：49-53.