網絡化過程控制系統實驗探索

盧潔瑩

摘? 要 結合實際工業控制中被廣泛應用的網絡化過程控制技術，針對過程控制工程實驗課程提出在現有實驗設備的基礎上加入網絡化控制技術，構建一個開放性實驗平臺的具體方案。目的是為學生提供一個綜合運用PID控制、模糊控制、自適應控制等控制算法，自行探索設計控制器，并結合CAN網絡技術和嵌入式技術實現能對系統溫度、液位、壓力等參數進行有效控制的網絡化實驗環境。通過增加開放性網絡化過程控制實驗，豐富過程控制實驗教學體系，并實現開放性實驗教學，為培養創新型人才打下基礎。

關鍵詞 網絡化控制;過程控制工程實驗;實驗平臺;控制器

Abstract A plan is proposed to set up a networked process control experiment for the undergraduate course process control experiment. This experiment is an open experiment platform in which the net-work control technology， widely used in process industries， is applied to the existing experimental equipment in the course. The purpose is to provide the students a networked experimental environment where they can use PID control， fuzzy control， adaptive control and some other control algorithms to design a feedback control system and use the CAN network and embedded technology to implement networkedprocess control systems. This open networked process control experi-ment can enrich the context of the course process control experiment and provide a more open experiment platform to students in develo-ping their research interests and technical skills.

Key words network control; process control engineering experi-ment; experi-ment platform; controller

1 前言

“過程控制工程實驗”是許多高校自動化專業的必修課程，主要教學目的是培養學生在過程控制方面的基本工程能力，包括過程控制系統的設計、構建和分析等[1]。目前的“過程控制工程實驗”課程著重于過程控制系統的儀表特性分析、PID控制器原理和設計方法。隨著互聯網技術的發展，網絡化控制技術在工業控制中得到十分廣泛的應用[2]，在國內外高校中，以網絡技術為核心的控制系統也逐漸進入實驗室[3-5]。為了讓學生能適應新技術的發展，掌握更加先進的控制理論和技術，使所學內容與現有的實際工業控制技術接軌，必須對傳統“過程控制工程實驗”課程內容進行適合技術進步的改革，在課程中加入網絡化控制的新技術、新方法，同時進一步增加實驗課程的開放性，讓學生學會從實際工程的角度去分析問題、解決問題，進一步培養學生理論與實際相結合的能力、工程系統的設計能力和實施能力，體驗自動化專業的前沿技術。

2 過程控制工程實驗課程的背景

“過程控制工程實驗”的重要性? 我國正在大力推進“中國制造2025計劃”，在這個產業結構轉型的關鍵時代，對于自動化專業人才的培養提出新的要求[6]。自動化專業的學生應該是具有扎實的專業知識、全面的知識儲備、較強的工程適應能力等的復合型人才。因此，實踐應用課程體系的科學與否，將直接影響人才培養質量。

華南理工大學自動化學院自動化專業實驗課程主要分為兩類：

1）基礎實驗課程，如大學物理實驗、模擬電子、數字電子技術實驗、自動控制原理實驗等;

2）專業領域實驗課程，如過程控制工程實驗、運動控制系統實驗等。

其中專業領域實驗課程是專業基礎知識和實際工程系統之間的橋梁。在傳統的課程體系中，這些實驗課程內容相對獨立，每一門實驗課僅針對某一個方面的知識進行學習。如“過程控制工程實驗”的主要內容是關于工業過程中控制系統的設計與實現。在計算機和通信技術空前發達的今天，這類專業實驗課程的知識架構與內容顯得過于單一。從自動化專業技術的發展來看，控制器的實現手段已從模擬儀表為基礎的簡單反饋系統發展為網絡化的數字控制系統，同時控制算法也越來越多樣化。因此，這類專業實驗課程也被賦予更多的內涵，課程內容也越來越具有交叉性和綜合性。如果對課程內容和相應的實驗平臺進行合理配置，將有助于學生全面理解過程控制領域的核心知識點和關鍵技術以及與其他課程之間的相關性，同時為高年級本科生提供一個適合時代和技術發展的開放性研究平臺。

“過程控制工程實驗”教學現狀及存在的問題? 在近年來的教學實踐中發現整個教學過程存在下面一些問題。

1）教學方式固化。在目前的“過程控制工程實驗”實驗課程中，驗證性實驗占主導地位，按照“結論—驗證—應用”的模式來進行，學生按部就班地按照教師的要求進行實驗，導致積極性不高，缺乏自己的思考，主觀能動性不能得到充分發揮。

2）課程內容、操作方法單一。從圖1可以看到，“過程控制工程實驗”的主要內容是不同對象的特性測試和單回路控制系統實驗（包括溫度、液位、流量等）以及串級控制系統實驗等，這些內容主要還是圍繞PID參數的選取和調節，實驗的基本原理是類似的，實驗操作方法也較為單一。而且課程中所涉及的知識點比較獨立，學生很難通過實驗將所學知識進行綜合運用。

針對上述問題，設想設計一個綜合性更高的實驗平臺，讓學生以該平臺為基礎，自己設計并搭建一個完整的微型網絡化過程控制系統。

3 網絡化過程控制實驗的實現

為了加強各門課程之間知識的融合，兼顧課程內容的全面性和獨立性，同時提高學生的學習自主性，熟悉和掌握目前實際工業控制中所用的先進控制理論和方法，對傳統的“過程控制工程實驗”進行創新勢在必行，這也是高校課程改革和發展的必然要求[7-8]。在“過程控制工程實驗”中引入網絡化控制的概念、系統構架、設計案例和實現手段，讓學生綜合運用所學的控制分析設計方法、信息處理技術、嵌入式單片機和工業網絡等方面的知識設計并實現網絡化過程控制的系統框架、控制器算法等。

系統結構? 在“過程控制工程實驗”課程中以原有的過程控制實驗對象為基礎，加入網絡化系統與嵌入式單片機技術，構建如圖2所示的網絡化控制系統。主機通過CAN總線與多臺嵌入式單片機進行連接通信，這些嵌入式單片機之間也可以通過CAN總線進行通信與信息交互。嵌入式單片機與被控對象（如液位、溫度、流量等）構成單回路數字控制系統，同時多個被控對象之間可通過物理連接（如多級水箱）構成多回路系統。

這一系統構架的特點是通過CAN總線技術將原來實驗中的單回路系統集成為一個網絡化控制系統，這一構架更能體現現代過程控制的特點和控制技術的發展，為學生體驗和嘗試構建現代網絡化過程控制系統提供了一個模板。另一方面用嵌入式單片機這一過程控制中的常用技術來實現基本控制單元，更符合技術發展的潮流，也為學生提供了實施控制算法的新途徑，便于學生在系統設計過程中嘗試自適應控制、智能控制、最優控制等PID控制算法以外的現代方法。

具體實施? 網絡化過程控制系統實驗平臺的實施可分為設備備置、實驗內容和實驗教學三個部分。

設備備置主要是對目前現有的實驗裝置進行改造，包括以PC機為主節點，以CAN總線為基礎組成網絡化構架;以若干嵌入式單片機為子節點的單回路控制系統。子節點具有與實驗室現有的執行器、傳感器直接進行數據交互的能力、利用CAN總線與其他節點進行通信的功能;主節點具有通過CAN總線與子節點進行實時通信的功能，同時具有人機交互功能。

實驗內容如表1中所示，主要內容可分為：以CAN總線為基礎的網絡控制系統構架;以嵌入式單片機為核心的實時控制系統;多樣化的系統建模、信號預處理、控制算法的設計、實現與調試;面向分布式控制系統的人機界面。

在實驗教學的具體實施過程中，充分體現實驗的開放性、團隊協作性和學生自主性[9]。在兩到三個月的規定時間段內，學生分階段完成各項預設任務。教師在開放式教學過程中，以學生為中心，輔助學生開展試驗，讓學生學會獨立思考、分析和解決問題。最后，學生在上述實驗平臺上完成以網絡化控制系統為基礎的溫度、液位、壓力等多回路復雜控制系統，并嘗試適用各類先進控制算法（如自適應、智能、最優控制等算法）。

網絡化過程控制實驗教學優勢? 在過程控制實驗教學中引入網絡化控制的內容，將進一步豐富和完善過程控制實驗教學體系，充分反映當前控制技術的發展水平、計算機和網絡通信技術在控制系統中的應用現狀，拉近學生所學知識與實際工程系統的距離，提高學生對知識的綜合運用能力、團隊協作能力、控制系統的綜合設計能力。如表2所示，“網絡化過程控制實驗”與現有的課程進行比較，在教學形式、教學管理和教學內容等方面都有提高和進步。從學生的反饋中來看，“網絡化過程控制實驗”讓他們接觸到實際工業中的先進控制算法以及平臺搭建的相關知識。通過開放式的教學模式，讓學生不再單純地進行驗證性的實驗，而是通過小組合作的形式，學會自己思考問題、解決問題。

4 結語

對“過程控制工程實驗”進行改革，在實驗教學內容上融入網絡化控制的內容，在教學形式上將學生作為主體，實現開放式教學。這樣不僅改變了傳統過程控制實驗教學內容單一的現狀，而且學生通過實驗，能有效地將各類專業知識進行綜合運用，鍛煉實際操作能力，還接觸到更加先進、與實際工業控制接軌的控制技術。因此，在過程控制實驗教學中引入網絡化控制的內容是自動化實驗課程改革的趨勢，也是對培養綜合創新型人才的必然要求。

參考文獻

[1]陳湘萍.過程控制工程實驗教學改革的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2010（7）：85-86.

[2]謝昊飛，蔡龍騰.網絡化控制系統實驗教學模式改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（1）：189-192.

[3]宋愛娟，曹亞麗，顧德英.網絡型過程控制系統實驗室開發[J].機電產品開發與創新，2010，23（2）：144-145.

[4]吳茜.網絡化過程控制實驗平臺的設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013：11-26.

[5]黃號凱，竇峰山，李曉龍，等.“網絡化控制”實踐教學系統設計與實現[J].實驗室科學，2016，19（4）：83-86.

[6]萬迪慶，利助民，葉舒婷，等.面向“中國制造2025”發展戰略的本科教學改革思考：以華東交通大學為例[M]//廣州：國際現代管理、教育技術和社會科學國際會議.2016：356-359.

[7]馬強.探索實驗教學改革對策 促進實驗教學創新[J].實驗技術與管理，2013，30（7）：185-187.

[8]翟文權，李書旗.電子技術實驗教學改革探索[J].實驗技術與管理，2010，27（10）：139-141.

[9]屈二軍，李文建，陳蘭英，等.深化開放性實驗管理，培養創新型人才[J].實驗科學與技術，2010，8（4）：131-133.