面向工程实际的过程控制课程设计

孙昌跃+欧青立+李勇成

[摘 要] 过程控制课程设计是自动化专业的专修课程， 是理论联系实际的关键教学环节。为了激发学生学习和培养学生工程意识，对实验项目和实验内容进行了重新调整。开发了基于LabVIEW的虚拟实验平台，并与实物实验一起应用于教学和学生学习中，以更有效地促进学生的学习效果。本文结合互耦水槽液位控制实验介绍了课程设计的开展情况。

[关键词] 过程控制;课程设计;实验教学

[中图分类号] G642.4 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）04-0093-04

0 引言

过程控制方法是现代石化、生物制药、钢铁等工业装备运行操作的技术基础。由于涉及较深的理论教学内容和复杂的工程背景，过程控制课程教学强调理论联系实际并与工程实践有机结合。另一方面，理论教学中的示例系统一般经抽象化处理且假设处于稳态工作状态，学生对系统动态过程的理解通常也是概念化的。要促进学生的理论知识向实践能力转换，实践教学环节起着重要作用。实践教学有利于本科专业教育已获得广泛的共识，各种实践教学模式也得到了研究和应用[1-5]。但如何在实践教学环节中启发学生的创新意识，培养学生的实践能力，使学生在过程控制系统设计和分析过程中将所学的理论知识融会贯通，并掌握新技术、新方法，是一个值得探讨的课题。

自2010年以来，借助国家级电子与电气技术实验教学示范中心建设的契机，围绕构建科学的实践教学体系、体现先进的教学方法和理念、提高教学效果和促进学生专业技能培养等几个方面，对原有的过程控制实验系统进行了升级改造。下面将介绍从过程控制实践教学中获得的一些体会。

1 过程控制课程设计教学目的及内容

1.1 过程控制课程设计教学目的

过程控制是自动化专业的一门专业课，通过本课程的学习，使学生掌握过程控制仪表的组成、原理、工程设计规范;熟练掌握过程对象建模的基本原理、方法和单回路控制系统的设计及参数整定;了解常规过程控制系统的工程设计和计算机过程控制系统的原理、设计与应用。根据本专业培养计划要求，设置了过程控制课程设计的实践教学环节。其目的就是通过过程控制系统组成、设计与实现的全过程，强化学生对所学知识的理解、消化和吸收，培养学生综合运用所学理论知识的能力。此外，通过对一个模拟工业过程控制系统的设计、安装、调试，培养学生工程意识和实践技能，促进学生综合素质进一步提升和创新能力的养成，为毕业后的继续教育、科学研究、技术开发打下良好基础。

1.2 过程控制课程设计内容及要求

过程控制课程设计包含理论设计和动手实验两部分，强调理论联系实际、理论与实际的有机结合。理论设计部分要求学生根据所学的理论知识和实践技能设计一个具体的控制系统，包括系统的主电路和控制电路，选择变送器、控制器、执行器等，画出系统电气原理图。理论设计规定每个同学自己独立完成设计，并提交一份设计说明书。动手实验部分要求根据设计题目，完成单元电路安装、系统组态、单元及系统调试等。课程设计的成绩评定由实验教师根据学生在整个集中实践过程中的表现，包括理论设计、动手实验、设备或系统制作、调试的结果进行综合评定。

2 面向工程实际的过程控制动手实验

2.1 过程控制动手实验模式

过程控制动手实验是课程设计的主要教学环节，这个环节的作用应该有助于强化和展示课本的专业理论，有益于学生动手能力的培养和分析、解决问题思维模式的养成。而如何理论联系实际是实验环节的重点、难点，也是学习知识的最终目的。基于面向工程实际的教学理念，更新了过程控制实验的硬件设备并扩展了实验场地，营造了一个具有工程背景的实验环境。通过在真实环境中的实践，学生可以验证自己所学的理论知识，并且通过解决实验过程中遇到的诸如噪声干扰、设备波动等问题，锻炼学生综合运用知识解决实际问题的能力。由于受课时、场地、实验设备等教学资源的限制，实物实验通常是定时间、定地点、定内容、定人员。如果实验前的准备工作不充分或对相关理论知识理解不透，学生很难获得较好的学习效果。为了弥补实物实验的缺陷，提高实物实验的教学质量，开发了基于LabView的虚拟实验平台。由于LabView采用图形化虚拟仪器框架，对虚拟仪器技术有强大支持，所构建的虚拟实验能提供十分逼真的画面而且功能强大。采用虚拟实验平台，不但可以进行预前实验，而且可以进行仪器仪表辅助工具使用的训练，一定程度上缓解了教学资源紧张的问题。更重要的是，虚拟实验的动态过程形象化设计更便于学生直观地理解理论知识，从而激发学生进行探索性、主动性和创造性学习。这种“实物实验与虚拟实验相结合”的混合实验模式，为学生提供了基于Kolb体念学习的条件，即通过具体体验、反思观察、抽象概括和主动实验四个阶段，形成一个知识获取和构建的良性循环，从而营造知识构建的理解、转换二维过程，这个过程对于提高实验教学效果具有重要作用[6，7]。

2.2 过程控制课程设计项目及动手实验实施情况

过程控制课程设计包括如下项目：（1）互耦水箱液位控制系统;（2）锅炉夹套与内胆水温串级控制系统;（3）比值控制系统;（4）锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统;（5）滞后控制系统;（6）锅炉夹套与内胆水温解耦控制系统。为充分利用实验资源，将每个教学班分成若干组，每个组3～4人，每组学生通过抽签方式选择一项进行课程设计。动手实验采用任务引导、问题驱动的方式和实物实验与虚拟实验交叉安排的形式进行，下面以互耦水箱液位控制系统设计为例，介绍动手实验的实施情况。

互耦水箱液位控制动手实验包括如下任务：（1）互耦水箱特性测试与建模;（2）互耦水箱液位PID控制器设计;（3）常规ZN-PID控制算法与MIC-PID算法性能比较。为了加深学生对相关理论知识的理解、熟悉数字示波器等仪器仪表的使用方法，以提高实物实验的教学效果，为学生提供了基于LabView的互耦水箱液位控制虚拟实验平台（见图1）和配套的指导书。学生既可以在等待实物实验期间进行仿真作为预前实验准备，也可以利用课余时间自主进行问题驱动的仿真研究。实物实验的互耦水箱液位控制实验系统硬件配置如图2所示。

1）互耦水箱特性测试与建模。这个单元的设计任务要求学生通过实验了解互耦水箱特性，并采用合适的方法对互耦水箱进行建模。实验安排测试、观测不同阀门开度时的液位动态变化曲线，以理解所建模型参数随不同工作点变动的原因。图3显示了控制阀门不同开度时液位的变化曲线。如图3所示，互耦水箱液位的动态特性相当直观，即增大控制阀门液位会升高，而减小控制阀门液位会降低。但相同增量的阀门开度会导致不同的液位变化曲线，这表明互耦水箱系统具有一定的非线性特性。这种非线性特性的结果是针对某一工作液位设计的具有理想性能的控制器可能在另一工作液位处获得的性能并不理想。因此，为了准确描述互耦水箱系统的特性以获得较好的控制效果，应对工作点的液位进行动态特性测试以获得建模数据。

互耦水箱的建模包括基于实验数据的建模和模型验证。如图4所示，实验数据含有噪声，若不通过消噪处理而直接采用实验数据进行建模，所建模型与互耦水箱实际动态特性可能产生较大误差，从而可能导致基于互耦水箱模型设计的控制器性能不理想。通过引导学生考虑各种有效的方法，如常规图形解析建模前的实验数据预滤波处理、面积建模法等[8]，采用一阶惯性+时延环节的传递函数模型可以较好地适配互耦水箱液位动态响应曲线。

这个单元利用实验系统所反映出的非线性特性、噪声等现象，拟为学生营造实际工程环境，更为重要的是培养学生利用所学知识解决实际工程问题的能力，积累实际工程经验。

2）互耦水箱液位PID控制器设计。这个单元的设计任务涉及常规PID控制器结构的选择与参数整定。为了使学生充分了解PID每个控制部分的作用，要求学生对不同比例常数Kp的P控制、不同微分时间常数 d的PID控制、P控制与PI控制、PI控制与PID控制进行对比研究。观察不同控制参数变化、不同的控制结构对系统稳态误差、动态响应速度、干扰抑制效果、控制器输出和测量噪声所产生的作用。如增大Kp的P控制可以加快系统动态响应速度和减小稳态误差（图5所示），而增大 d的PID控制可以抑制系统阶跃响应的超调（图6所示）。另外，通过PI控制与PID控制的比较，让学生了解噪声环境下微分控制作用会导致控制信号噪声的放大（图7所示），这种效应会对控制阀产生不利影响。因此，在噪声环境下采用微分控制时，应选择具有滤波功能的PID控制。

这个单元通过上述问题的探讨，拟强化学生对所学知识的理解和加深对实际工程问题的认识。通过具体体验、反思观察、抽象概括与行动应用的完整过程，学生将书本知识转化为自己的直接经验，促进所学专业知识的内化。

3）常规ZN-PID控制算法与MIC-PID算法性能比较。这个单元的设计任务涉及研究性学习，要求学生在教师的指导下进行基于内模控制的PID控制方法的研究。大多数过程控制教材一般只介绍经典PID控制参数整定方法如齐格勒-尼科尔斯（Ziegler-Nichols method）的切线法和临界振荡法，对工业界已广泛采用的基于内模控制的PID控制方法（MIC-PID）几乎没有涉及。这个设计单元安排学生阅读MIC-PID控制方法文献[9]，在教师的指导下进行常规ZN-PID控制算法与MIC-PID算法性能比较研究。实验内容包括对参考输入的跟踪性能、对外加干扰的抑制性能以及控制输出信号的动态性能研究。如图8所示，在相似的跟踪性能情况下，ZN-PID控制对外加干扰的抑制性能要好于MIC-PID控制。但另一方面，MIC-PID控制所对应的控制输出信号变化幅度更小且更加平滑，这一特点对控制阀门而言较为有益。

这个单元旨在通过引导学生进行研究性学习，培养学生自主学习的能力，扩展学生的视野。另一方面，通过不同控制算法的性能比较，了解不同控制算法的特点，为实际工程应用积累经验。

3 结束语

总之，结合对过去实践教学的反思和对工程实验环节在学生专业学习作用的重新定位，就过程控制课程设计的实验项目、内容和实验模式进行了调整。通过过程控制实验系统升级改造和实验环节完善，一方面使实验能起到激发学生专业兴趣的作用;另一方面，为学生发展专业技能营造工程环境。通过实物实验与虚拟实验的交叉实验模式和任务引导、问题驱动的实验方式，为学生构建了面向工程实际、便于自主学习和交流的实验学习环境。这种实验模式强调体验在学习中的作用，注重开阔学生思路，培养学生适应变化，从“感受” 中学习;注重培养学生细心观察，多视角多维度地看待问题、理解学习内容;注重学生思考、客观逻辑地分析问题，运用已有的知识开动脑筋、积极思考;强调从做中学，鼓励学生勇于探索，并采取具体的方法解决实际问题。经过几年的实践，面向工程实际的过程控制课程设计在学生中获得了良好反映，今后笔者将不断完善现有课程设计，探索基于Web的过程控制实验方法，为学生在线自主学习提供平台。

参考文献

[1]Kolb D A.Experiential learning：experience as the source of learning and development[M].Prentice-Hall，1984.

[2]Abdulwahed M，Nagy Z K.Applying Kolb's Experiential Learning on Laboratory Education，Case Study[J].Journal of Engineering Education，2009，98（3）：283-294.

[3]Ma J N，Hands-on J V.Simulated，and remote laboratories：A comparative literature review[J].ACM Comput.Surv.，2006，38（3）：1-24.

[4]温淑慧.计算机控制技术实验教学改革初探[J].教学研究，2010，33（6）：59-61.

[5]刘中，吴云杰，袁少强，王金英，陈砾.基于体验学习的“过程控制”实验教学设计[J].电气电子教学学报，2011，（4）：88-90.

[6]Abdulwahed M，Nagy Z K.Developing the TriLab，a triple access mode（hands-on， virtual， remote） laboratory，of a process control rig using LabVIEW and Joomla[J].Computer Applications in Engineering Education，2013，21（4）：614-626.

[7]Johri A，Olds B.Situated engineering learning： Bridging engineering education research and the learning sciences[J].Journal of Engineering Education，2011，100（1）：151-185.

[8]Chau P C.Process Control：A First Course with MATLAB[M]. England：Cambridge University Press，2002.

[9]Skogestad S.Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning[J].Journal of Process Control，2003，（13）：291-309.