過程控制工程結合虛擬實驗教學改革與探究

陳磊，任銀娥，張紅欣

（1.新疆大學 化工學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.昌吉學院 物理系，新疆 昌吉 831100）

2018 年教育部批復的首批105 項國家虛擬仿真實驗教學項目中涵蓋了化工與制藥、機械類等7 個大類，可見虛擬仿真實驗教學是解決現階段高等教育過程中面對設備較為復雜、教學內容抽象難懂、過程系統龐大、工程應用性較強的課程困境最有效的手段.隨著軟件集成平臺多樣化，國內各大高校教學工作者利用計算機網路技術開發的虛擬控制實驗在教學實踐中獲得了較好的教學效果和反響.如天津大學范江洋[1]等針對化工過程控制課程，教師授課時采用組態虛擬控制儀表演示某生產線控制參數調節時各化工設備參數變化及設備物理性變化的范例，將多維互動學習過程延伸至課堂之外，提高了學生上課目標專注程度和課程興趣.天津科技大學王紅星[2]在教學過程中針對精餾塔的教學，多乙苯精餾塔的控制運用圖形化編程軟件進行了方案設計，并通過實時改變各變量參數的給定值使學生能觀察到高壓塔設備蒸汽流量變化，各層塔壓變化規律.福州大學史曉東[3]等針對過程控制課程中引入可參數化改變系統進給量，動態演示了鍋爐點火過程中鍋爐內部溫度、壓力、能量轉化、氣體結構變化，將工業生產實際操作過程進行了如實反映.石河子大學張巖文[4]采用Matlab/GUI 圖形化編程，利用動態仿真講解原子物理學中的原子受力分析等內容，教改結果表明，虛擬控制實驗有利于學生觀察和分析各參數對實驗的影響，能使教學更生動、高效，提高了學生的學習興趣，也為相關課件的設計提供了新途徑.

本文通過近年的教學經驗以及結合虛擬實驗對課程改革的理解，將虛擬實驗與課堂理論教學進行耦合，重點培養學生的創新能力和科學素養.采用虛擬實驗教學不僅能打破實驗室空間有限、實驗裝備昂貴、實操不確定性因素等限制，可將以往的靜態式展示教學向動態直觀式觀察進行轉變，同時可增加課程中控制系統的種類與數量，深化學生對控制系統的了解與認識，更能逐步加強學生對工業控制系統的直觀感受.

1 現階段教學中存在的問題

采用羅健旭等主編的《過程控制工程》[5]（4 版）為教材，共9 個章節.前4 章主要包含基于化工生產背景涉及的基礎數學建模、控制裝置基本構造及原理、單/串級PID 控制系統機理等內容.后5 章在介紹先進控制系統的基礎上重點描述了預測控制、解耦控制、時滯補償控制等系統.并在最后章節中講解了流體運輸設備、傳熱設備、精餾塔控制、化學過程控制的控制原理.

1.1 課堂教學易造成理論與實踐脫節

過程控制工程作為專業核心課程，集合了微積分方程推演、數學建模理論、執行器工作原理、自動控制原理等知識點.知識結構由易漸難，布局由單一轉變成系統型，因此單純地利用課堂理論教學，而不進行實踐操作易造成學生對知識點如何轉化為實際運作產生疑惑.尤其是課程后半部分涉及的預測控制、解耦控制、時滯補償控制等操作更需要實踐操作才能消化課堂教學內容.實驗室設備雖能完成部分課程所需的實驗，但對于更為復雜的控制系統目前尚未開發完全，故針對復雜的控制系統暫時停留在課堂教學階段，造成部分學生由于思考能力有限而不能完全理解知識點和控制原理，導致學生在學習過程中發生知識理論與實踐脫節的窘境.

1.2 實驗操作效果不理想

根據教學大綱安排，課程涉及5 個實驗內容——單容水箱液位平衡控制系統設計、雙容水箱液位平衡控制系統設計、雙容水箱前饋控制的投放與整定、小型換熱器換熱性能檢測實驗、基于總線儀表的比值控制系統的投放和整定.根據教學大綱制定5 個實驗課程，從2017—2019 年統計的學生進行實驗實操的數據顯示，歷年參與該課程實驗操作的學生人數為60 人，93.3%以上的學生可在當節課堂操作過程中完成第1～2個實驗；85%的學生可在當節課堂完成第3 個實驗；71.7%的學生可在當節課堂完成第4 個實驗；58.3%的學生可在當節課堂完成第5 個實驗.每個實驗的實驗操作內容在實驗開展的前3 天通過學習委員下發給班級學生，并在實驗課開始時抽查學生關于當堂實驗課所涉及的知識點.由于實驗課當堂操作不理想，學生只能后補實驗完成實驗報告的撰寫.這種情況不僅造成學生無法系統地了解實驗操作，也不能較快地將課堂理論知識轉化為實踐操作，同時提高了實驗室的各項投入.

1.3 實驗內容無法滿足學生知識面發展的要求

與課程配套的5 個實驗僅能幫助學生鞏固課堂理論知識，在近一步提高學生對復雜控制系統的興趣、拓寬視野方面還存在一段差距.當前開發的實驗只能讓學生對控制系統有入門式的理解和操作，而更為復雜的多級控制系統、智能控制系統、多參數自適應調節系統只能借助書本進行空洞的描述，缺乏理論與實驗的雙重驗證環節，無法做到理論教學與實驗實踐相輔相成的教學局面.

2 教學改革具體措施和方案

建設虛擬控制實驗采用高級計算機程序語言與工業化標準組態進行耦合實現物理設備虛擬化顯示，標準組態軟件可完成設備控制系統中各類顯示儀表及控制設備的圖形設計，圖形化顯示有助于分析過程控制系統單/多參數變化時系統各設備的運行狀態[5].將設計好的虛擬實驗帶入課堂，課堂教學中在線參數實時調節可使學生直觀感受本章節中控制系統的設備構成、儀表分布、物料流向結構、能量傳遞過程、全系統運行狀態的知識要點，同時為了解下一銜接課程形成了知識儲備.對于配套的實驗，可提前將虛擬實驗平臺軟件下發給學生，學生可根據實驗指導手冊進行預操作（熟悉界面、參數設置原理、操作流程、結果查詢、參數報表等），對實驗課程有充分的了解和熟悉.

2.1 虛擬控制實驗工作原理

虛擬控制平臺圖形設計采用北京亞控科技發展有限公司開發的標準組態王軟件，程序設計采用Matlab/Simulink 工具箱完成程序控制參數的搭建，組態軟件與Simulink 之間采用基于Windows 應用的OPC（OLE for Process Control）通訊技術完成控制界面與算法之間的數據交互[6].

組態王軟件主監控界面主要由參數設置界面、數據曲線顯示界面、歷史數據查詢畫面、歷史曲線查詢畫面、實時數據顯示界面、報表生成功能組成.結合組態王軟件的現有圖形功能和強大的繪圖工具箱，可將需要設計的控制系統的設備布局結構和設備形態進行創建，并結合I/O 配置、動畫動態連接、創建數據庫等功能完成系統的運行與調試.

圖形界面與Simulink 通過OPC 技術連接后，可在設計好的界面中輸入設定參數，此時Matlab 與組態軟件建立通信的主要步驟為：（1）虛擬系統自動創建OPC 數據并訪問客戶端對象；（2）在OPC 客戶端對象添加組對象；（3）在OPC 客戶端對象添加項對象；（4）對組態王的變量進行讀或寫判斷；（5）Simulink中數據通過OPC 與組態軟件形成數量連接；（6）完成數據交互后OPC 連接結束.

2.2 教學與實驗模式改革及實現

將虛擬控制實驗與課堂教學緊密結合，在課堂教學中采用直觀的參數修改后形成的動畫演示加深學生對課堂內容所涉及的過程控制理論有更深入的理解，根據課程進度演示學生自行設計的虛擬實驗方案，提高學生的參與積極性，點燃學生的興趣點.在通知實驗任務后，由實驗教師介紹虛擬控制實驗的基本設備、控制原理、預期效果、相關理論，學生在此基礎上根據實驗指導手冊和指導文獻進行實驗預習，鼓勵學生在原有控制實驗的基礎上進行創新設計，實驗教師在學生進行二次創新的基礎上進行答疑指導、難點講解、提供文獻資料、開發實驗設備.引導學生以發現問題、驅動解決問題的思考理念進行自主實驗自查，并嘗試自主解決.學生經過虛擬實驗后，將虛擬操作遇到的問題帶入實驗環節，有助于學生更有針對性地進行實驗實操，有助于培養學生尋找問題、分析問題、尋找相關理論、實踐實驗、結果評估、實驗總結的良性螺旋式循環的科研習慣，為學校科研型人才提供力量儲備[7].

2.3 形成定期評價與反饋機制

課程利用虛擬實驗進行課堂教學和實驗指導探索新型式的教學過程中，針對教學效果采用完成1 個章節和1 個實操實驗后，與學生進行溝通，改進虛擬實驗的授課機制，從課堂氣氛，虛擬實驗內容是否詳細，虛擬實驗安排是否合理，虛擬實驗程序是否存在不足，哪些知識點需要借助虛擬實驗進行講解，復雜虛擬實驗控制策略提升，實驗指導書需要改進之處，布置的相關提升類題目是否難度適中等不同層面進行溝通.同時也鼓勵學生利用課間和預習操作實驗之際與課題組進行溝通，不斷完善虛擬控制實驗平臺的教學素材、實驗預習操作系統、控制策略參數優化等研究工作.

2.4 激發學生拓展虛擬仿真實驗項目

開展虛擬控制實驗教學改革，在有效提高學生對化工控制系統的深入了解，提高教學質量的基礎上，在制作虛擬控制實驗過程中，吸引一部分有能力、有精力的學生到制作團隊中，將開發虛擬控制實驗制作過程開源化，將對化工領域自動控制技術感興趣的學生引入到開放式實驗室中.通過對虛擬實驗涉及的軟件進行基礎培訓或手把手教學，提高學生自動控制技術開發工具和基本控制程序編寫的能力.一方面可為學生進行畢業設計選題提供新的選擇方向[8-9]；另一方面為學生后期開發智能型、高端化、工業化控制系統用于參加“大學生挑戰杯”“創新創業大賽”“大學生程序設計大學”等課外比賽提供平臺.以學生為視角進行開發的二次虛擬控制實驗更符合學生的學習興趣和接納度，將學生引入制作團隊的過程拓寬了學生學習的知識面，并提高了學生的科研興趣[10].

3 結語

面對過程控制工程課程中專業背景和研究對象多為反應器、反應釜、換熱器、蒸發器、鍋爐等具有高壓、高熱、高能量，部分物理設備需要使用強電的設備與儀表，采用計算機虛擬設備過程控制系統有效彌補了物理設備不能著實反應控制系統各項性能指標的短板.將Matlab/Simulink 軟件作為過程控制程序編程工具與組態軟件工業化設備模塊狀態化顯示進行有機耦合，運用多媒體技術，動畫動靜結合操作、圖片以及音頻等形式，將抽象化的問題轉變為具體知識，可實現在無物理設備的基礎上，通過圖形化虛擬控制過程動態顯示，直觀反應過程控制系統各參數修改過程中虛擬設備的運行狀況.有效將工業實體過程控制如實呈現在虛擬控制平臺中，將實驗室實際操控、工業自動化生產過程“搬遷”至課堂教學，幫助學生樹立工程實踐觀念，提高學生對知識的實踐應用能力，提升了過程控制工程的課堂教學質量.