過程控制技術(shù)課程虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)與翻轉(zhuǎn)課堂實踐

竇東陽，王艷飛，王啟立

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學(xué)關(guān)系等發(fā)生革命性變化的新形勢，深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，教育部決定大力推進虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作。艾萌萌等[1]以潛油電動機實驗為例，利用虛擬仿真技術(shù)，將教學(xué)重點、難點融入虛擬場景，構(gòu)建與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的實驗場景。王哲等[2]建立了1 000MW 超超臨界火電機組燃燒系統(tǒng)虛擬仿真實驗系統(tǒng)。涂繼亮等[3]開發(fā)了航空電子與控制虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，可展現(xiàn)與綜合航電及飛行控制工程實際相一致的操作流程。王曉慧等[4]開發(fā)了基于Matlab GUI 和LabWindows CVI 的自動控制原理虛擬實驗教學(xué)平臺。代偉等[5]利用WinCC、Matlab和OPC 技術(shù)，開發(fā)了一套易于擴展、界面友好、算法開放的虛擬過程控制實驗教學(xué)系統(tǒng)。竇東陽等[6]設(shè)計了基于組態(tài)軟件和LabVIEW 的旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷實驗系統(tǒng)。可見，相關(guān)工作受到了各高校和學(xué)者的普遍重視。

過程裝備控制技術(shù)是過程裝備與控制工程專業(yè)（機械類）的主干課程，主要講述過程控制基礎(chǔ)知識、檢測技術(shù)及傳感器、調(diào)節(jié)規(guī)律及控制器、執(zhí)行器及儀表的防爆、單回路控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)以及典型過程設(shè)備的控制方案等，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握過程控制的基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)方法，包括測量數(shù)據(jù)分析處理、傳感器檢測原理與選型、PID 調(diào)節(jié)規(guī)律及工程整定、調(diào)節(jié)閥流量特性與選型、單回路控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)分析設(shè)計等，具備綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。課程配套有水箱簡單PID 控制等多個課程實驗，同時這些實驗也是化學(xué)工程與工藝專業(yè)（化工類）化工過程測控技術(shù)課程的配套實驗（為方便敘述，兩門課統(tǒng)稱過程控制技術(shù)課程），應(yīng)用范圍廣。為了響應(yīng)國家發(fā)展虛擬仿真實驗教學(xué)的號召，保障實驗教學(xué)的實施，同時也為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)提供現(xiàn)代化工具和研討手段，針對機械類和化工類過程控制教學(xué)需求，課題組建設(shè)了過程裝備控制技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，并開展了翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用實踐。

1 仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

系統(tǒng)能夠模擬現(xiàn)有實驗室實際設(shè)備，代替其完成相關(guān)配套實驗。能夠完成如水箱簡單PID 控制實驗中的單回路PID 參數(shù)整定，比例（P）、積分（I）、微分（D）參數(shù)對過渡過程的影響，以及水箱串級控制中的主、副回路PID 參數(shù)整定等實驗教學(xué)活動，取得與理論分析和實驗結(jié)果一致的結(jié)論。

系統(tǒng)總體設(shè)計思路為：利用組態(tài)軟件開發(fā)與實際實驗設(shè)備相近的操作界面。通過實驗測定實際實驗設(shè)備上、下水箱的特性參數(shù)，利用機理加實驗綜合建模方法，在MATLAB/Simulink 中建立實際設(shè)備的仿真控制模型。仿真界面和底層仿真模型通過OPC 技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

以水箱簡單PID 控制實驗為例，將下水箱的液位信號與系統(tǒng)給定值相比較，獲得偏差信號，輸入到調(diào)節(jié)器，再由調(diào)節(jié)器輸出控制信號調(diào)節(jié)上水箱的進水調(diào)節(jié)閥，控制上水箱的進水量，以達到控制下水箱液位的目的。

1.1 水箱特性測定

測定實驗室現(xiàn)有雙容水箱裝置的階躍響應(yīng)參數(shù)，以20s 的時間間隔采集水箱的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)。在實驗中，通過對調(diào)節(jié)閥的開度進行調(diào)節(jié)，從而改變上水箱的進水量，給被控對象加入一個階躍輸入信號，且實驗中各手動閥門的開度不變。測量上水箱參數(shù)，將電動調(diào)節(jié)閥開度從20%調(diào)至30%，而測量下水箱參數(shù)時，將電動調(diào)節(jié)閥開度從30%調(diào)至40%。對上水箱30 組數(shù)據(jù)進行擬合，用切線作圖法求取對象傳遞函數(shù)，如圖1所示，實線為擬合曲線，虛線為曲線在原點的切線，它與曲線穩(wěn)態(tài)值y（∞）虛線相交于A，解得A 點坐標(biāo)為（128.5032，96.2924），可得上水箱傳遞函數(shù)為：

圖1 上水箱實驗測定曲線

同理可得下水箱傳遞函數(shù)為：

1.2 底層控制建模

在MATLAB/Simulink 環(huán)境中搭建水箱簡單PID 控制方塊圖，如圖2 所示，其中PID 環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

圖2 水箱簡單PID 控制方塊圖

1.3 仿真界面開發(fā)

基于組態(tài)王軟件，參照實際系統(tǒng)界面開發(fā)了仿真操作界面，如圖3 所示。以水箱簡單PID 控制為例，首先對水箱的比例系數(shù)進行整定，在界面右下方的控制面板中，點擊主比例系數(shù)的值，在彈出的輸入界面中將水箱主比例系數(shù)設(shè)為0.5，再點擊下水箱給定液位的數(shù)值，將其設(shè)置為100 mm，實時趨勢曲線即刻發(fā)生變化，運行結(jié)果如圖3 右上角圖框所示。由圖可知，響應(yīng)曲線在波動兩次后趨向于平穩(wěn)，調(diào)節(jié)較為迅速，該比例系數(shù)設(shè)置合理，但存在較大的余差，下水箱液位并未達到給定值。

圖3 純比例調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線

比例系數(shù)不變，向系統(tǒng)中加入積分調(diào)節(jié)。系統(tǒng)保持運行，在原來的基礎(chǔ)上，將積分時間系數(shù)設(shè)置為0.2，然后再給系統(tǒng)施加一個階躍輸入，將下水箱給定液位設(shè)置為200 mm，實時趨勢曲線又立刻發(fā)生變化，運行結(jié)果如圖4 所示。觀察運行結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，加入積分調(diào)節(jié)后，余差得以消除。

圖4 比例積分微分調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線

以上操作步驟和實驗效果與實驗室實際設(shè)備相符，在此基礎(chǔ)上，還驗證了比例、積分、微分參數(shù)對過渡過程的影響，并與實際系統(tǒng)進行了對比，取得了較好的一致性，系統(tǒng)能夠用于仿真教學(xué)。

2 教學(xué)設(shè)計思路

翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)模式不同，傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師為中心，但是在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，學(xué)生變?yōu)檎n堂的主體，由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，以目標(biāo)為導(dǎo)向，能夠顯著提高教學(xué)效果[7-9]。目前大多數(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂依賴現(xiàn)代化的教學(xué)資源，尤以課程視頻和在線習(xí)題為主，一般以學(xué)生線上自學(xué)、課堂提問加研討、課后線上作業(yè)鞏固的模式開展[10-12]。在這種模式下，學(xué)生的動手能力得不到提升，目標(biāo)導(dǎo)向一個重要的觀察點就是學(xué)以致用，因此，此模式存在局限[13-14]。

過程控制技術(shù)課程虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)可以彌補上述缺陷，在現(xiàn)有傳統(tǒng)課堂教學(xué)資源的基礎(chǔ)上引入仿真實踐環(huán)節(jié)，建立學(xué)生“學(xué)—問—用—再學(xué)—再問”的學(xué)習(xí)循環(huán)，實現(xiàn)能動手操作的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

3 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實踐

以過程裝備控制技術(shù)課程PID 參數(shù)整定教學(xué)內(nèi)容為例，利用仿真系統(tǒng)與超星智慧課堂開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。該節(jié)教學(xué)知識能力目標(biāo)為：（1）理解放大倍數(shù)、比例度、積分時間的概念；（2）掌握比例調(diào)節(jié)規(guī)律、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律；（3）掌握比例度、積分時間對過渡過程余差、最大偏差和穩(wěn)定性的影響。

課堂教學(xué)過程如下：（1）學(xué)生課前在超星學(xué)習(xí)通平臺自主學(xué)習(xí)視頻，完成預(yù)習(xí)題，讓學(xué)生對比例、積分參數(shù)的整定方法有一個初步的認(rèn)識；（2）利用學(xué)習(xí)通平臺上的話題討論問題：a.我想控制一個“熱得快”，讓一鍋水的溫度保持在50℃；b.要是希望汽車的車速保持在50km/h 不變，你還敢這樣做嗎？你覺得可行嗎？引導(dǎo)學(xué)生思考參數(shù)整定的例子，試著搜集問題；（3）課中利用仿真系統(tǒng)讓學(xué)生按照規(guī)定的實驗步驟按部就班動手操作，將知識學(xué)以致用，在操作中將線上自學(xué)的知識掌握牢固；（4）引導(dǎo)學(xué)生在操作中深入體會，嘗試自己解決先前線上學(xué)習(xí)遇到的問題，或者在動手實踐過程中發(fā)現(xiàn)新問題；（5）進行分組討論，交流各自的問題，教師答疑解惑；（6）完成線上練習(xí)題，總結(jié)各自經(jīng)驗所得，進一步鞏固所學(xué)知識；（7）讓學(xué)生利用系統(tǒng)自由探索，教師對下一次教學(xué)知識點（微分參數(shù)整定）進行適當(dāng)引導(dǎo)，為下一節(jié)的知識學(xué)習(xí)埋下伏筆。

同時，利用仿真系統(tǒng)開展課程思政教育，讓學(xué)生動手實踐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并施加干擾作用，觀察抗干擾性能，了解穩(wěn)定性對控制系統(tǒng)的重要性。該實踐建立了“學(xué)—問—用—再學(xué)—再問”的知識學(xué)習(xí)良性循環(huán)，實現(xiàn)了能動手操作的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，在最近一次學(xué)生評教中，學(xué)生對使用該仿真系統(tǒng)的過程裝備控制技術(shù)課程的評價為優(yōu)秀，取得了滿意的效果。該系統(tǒng)目前還成功應(yīng)用于中國礦業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)相關(guān)課堂教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計中。

4 結(jié)語

針對過程裝備控制技術(shù)課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，以及人才培養(yǎng)對實驗教學(xué)的新需求，參照實際實驗設(shè)備開發(fā)了基于組態(tài)軟件和Simulink 的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可在課堂教學(xué)相關(guān)知識點講解時演示，提高教學(xué)效果，也可在課程配套實驗環(huán)節(jié)由學(xué)生一人一機操作，還可以實現(xiàn)能動手操作的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，學(xué)生可以針對自己的疑惑大膽探索，培養(yǎng)了學(xué)生動手操作能力，踐行了“學(xué)生中心”的教育理念，強化了以能力為先的人才培養(yǎng)理念。仿真系統(tǒng)操作步驟以及實驗效果與實驗室設(shè)備基本一致，已經(jīng)在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)用，取得了良好的使用效果。