基于MCGS组态软件的过程控制课程设计创新教学

刘士亚 肖红军 林梅金 屈莉莉

佛山科学技术学院 机械与电气工程学院 广东佛山 528000



基于MCGS组态软件的过程控制课程设计创新教学

刘士亚 肖红军 林梅金 屈莉莉

佛山科学技术学院 机械与电气工程学院 广东佛山 528000

摘 要：创新能力的培养是现阶段各普通高等院校对本科生的培养目标之一。随着高校的扩招，每位学生享受的资源与关注度降低，因此更应该注重每次实验过程中对创新思维的培养。传统的过程控制实验以组态软件为载体进行，学生在实验当中，过度依赖操作说明书，缺乏独立思考能力与创新能力。本文提出“实践+创新”的实验教学模式，提高每位实验参与者的能动性，激发创新意识，改善实验教学的效果。

关键词：MCGS组态软件；过程控制； 实践； 创新

过程控制是电气工程与自动化、测控技术与仪器等相关专业基础课程。通过过程控制课程的学习，能使学生对实际的工业生产过程有一定了解，如石油、食品、炼焦、化工和电力等等。良好的实验教学，能有效地将理论知识与实际应用关联起来，同时加深对工业生产环节的理解。因此，在理论课程学习后，一般会开设为期两周的过程控制课程设计，使学生们能参与到实验过程当中，直观的监测温度、液位等被控对象的变化，并运用理论知识实现有效的控制。传统实验教学，注重对实际生产过程的再现，能一定程度上加深对理论知识的理解。但学生只需按实验操作说明书的步骤，按部就班即可实现实验效果。在此过程中，学生缺乏对实验机理深层次的思考和实验思路的创新，很大程度只停留在“理解”的层面上。本文基于传统实验教学方法，开展“实践+创新”的实验教学改革，注重对学生创新思维与创新能力的培养［1，2］。本文以“双闭环流量比值控制”为例，详细阐述如何基于传统的实验教学内容，对实验过程进行改革。将理论知识应用融入具体的实验操作中，实现“实践”；同时降低实验过程中的唯一性引导学生发散性思维，实现“创新”。

1 系统控制目标

相较于传统实验教学的直接选题，并且附带详细的实验操作说明书。本实验只提供基本的控制目标与相关仪器设备的基本操作步骤，不提供具体的解题思路和控制方法。

控制目标：设计一个系统，能同时控制电动阀支路流量与变频器磁力泵支路流量，并且变频器磁力泵支路流量能跟随电动阀支路流量的变化而变化，而且两者保持一定的比例关系（比例自拟）。系统具有一定的鲁棒性，能克服外界的扰动对比值的影响，并且受到扰动后，系统仍回到原始设定的稳定状态。

2 系统方案设计

由控制目标可知，系统需选用比值控制系统，单闭环流量比值控制系统无法保证主回路的流量恒定不变，因此在单闭环的基础上增加一个主流量的控制回路，构成双闭环流量比值控制系统［3，4］。

本系统有两条支路，一路是主动量电动阀支路的流量Q1，另一路是从动量变频器磁力泵支路流量Q2，从动量Q2跟随主动量Q1变化而变化，而且两者保持一定的比例关系Q2/Q1=K.

3 实验过程分析

传统实验中控制器算法均选择PID控制，实验基本流程图如图1所示：

图1 实验流程图

根据系统的控制目标，设计相应系统控制方案。在过程控制实验设备上求取被控对象的模型，实现在Matlab/Simulink平台上的仿真建模。模型建立的准确性很大程度上影响系统的控制效果。模型建立较准确，仿真出来的控制参数在实际实验设备上运行也能获得较好的控制效果，满足控制要求，极大地减少了工作量。

3.1 系统传递函数的求取

图2 惯性系统阶跃响应曲线

图3 电动调节阀支路流量特性曲线

3.2 系统仿真模型的建立

使用Matlab7.1建立系统仿真模型，在系统结构图中，控制器选用PID控制，建立仿真模型如图4所示。PID控制器的参数求取的方式众多，其中常用的有试凑法和经验法，这里不详细阐述。在本实验中求得主回路理想参数为：P=41.0，I=60，D=0，副回路理想参数为：P=55.0，I=100，D=0。

图4 系统仿真模型图

4 MCGS组态软件的创新教学

MCGS是一套全中文32位工控组态软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，快速方便的开发用于现场采集、数据处理和控制、设计人机界面的设备［5］。

MCGS的设计步骤包括：建立工程项目、进行设备配备、制作图形界面、构造数据库、创建运行策略、调试运行［6］。在传统的实验教学中，MCGS组态软件已经设计好，学生只需使用即可。本实验要求学生至少参与一部分的设计，一般为设计运行策略。因此，对于控制器控制方法的选择，不仅仅限制于PID控制。鼓励学生发散性思维，搜索网络，查阅文献，更多的了解如自适应控制、神经网络控制、模糊控制等工业过程控制的常用算法。即便是采用PID算法，也可以在原有算法上做一定的改进。在这个思考的过程中，是对学生创新思维的培养。不一定要求学生设计出复杂的MCGS控制策略，实现实验控制目标即可。再者，参与MCGS组态软件的设计，能促使学生深层次的理解实验基本原理与理论基础，加深对工业型流量传感器、执行机构的了解和认识。即能通过实验了解工业生产过程，又能在这个过程中有所思有所感悟，这就是课程设计所要达到的效果。

以双闭环流量比值控制系统为例，采用增量式PID控制算法，其部分控制策略为：

p1=kc1*（e1-e1_1） % kc1：比例系数 e1：当前时刻偏差 e1_1：上一时刻偏差

i1=kc1*ts*e1/ti1 % ts:采集周期 ti1：积分系数

d=kc1*td1*（e1-2*e1_1+e1_2）/ts % td1：微分系数e1_2：上上时刻偏差

det_u1=p1+i1+d1 %当前时刻的控制值增量

uk1=u1_1+det_u1 %当前时刻的控制值 u1_1：上一时刻控制值

if uk1＞=100 then uk1=100 %控制值限幅度0-100

if uk1＜=0 then uk1=0

u1=uk1 u1_1=u1 op1=u1 %赋值为下一次运算做准备

实现的控制效果如图5所示。由图可知，主动量与从动量保持一定的比例关系（K=1.5）。当出现扰动时，从动量随着主动量的变化而变化，并且很快地回到原始设定的稳定状态，实现控制目标。

图5 系统实际运行结果曲线

5 实验效果分析

课程设计的考核方式为报告加答辩。学生以组为单位，轮流回答2～3个与实验相关的问题，包括实验原理、实际操作、系统结构、理论基础、团队中所负责的工作等各个方面。结合实验报告的撰写情况与个人在课程设计中的参与度，以百分制给出最后考核分数。

采用传统的实验教学，针对学生的考核结果与平时做实验的情况，存在如下不足：

（1）团队整体参与度不高，由于传统实验中每项工作必须一项一项轮流完成，并且实现难度不大，因此每组基本上只有固定的少数几个学生在参与。

（2）实验完成所需时间较短，为期两周的课程设计，大部分组一周即可完成。

（3）问题回答情况较差，一部分学生连最简单的基础知识也不了解。有的学生认真完成整个实验后，对实验的机理与理论知识也是一知半解。

（4）实验报告抄袭情况严重。

在往届课程设计中，本校电气工程与自动化专业的学生采用了新的实验教学方法，相对传统实验教学，新的实验教学效果对于如表1所示。

表1 实验效果对比

6 结束语

本文以双闭环流量比值控制系统为例，详细分析了如何以传统实验内容为基础，融入应用型人才培养目标要求，强调“实践+创新”的实验教学模式，激发学生的创新思维。以学生反馈情况来看，实验改革效果较好。唯一的不足是实验教师工作量增加。

参考文献

［1］秦海鸿，黄文新，曹志亮，张绍杰，刘闯.电气工程与自动化实践教学体系的优化建设［J］.实验室研究与探索，2015（2）:148-150.

［2］米洁，高宏.课程—实践—创新相辅相成的教学模式改革［J］.实验室研究与探索，2015（2）:167-170.

［3］刘恒娟.基于MCGS的单闭环流量比值控制系统的设计［J］.贵州大学学报:自然科学版，2010（4）:74-76.

［4］罗小虎，发发，毛先萍. 基于MCGS的双闭环流量比值控制系统的设计［J］.中国石油和化工标准与质量，2013（2）:240.

［5］北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS用户手册.2004.

［6］孙松丽，王荣林，张桂新.基于MCGS的PLC仿真实训系统设计［J］.实验室研究与探索，2015（1）:87-91.

图书馆建设

Innovative Teaching of Process Control Course Design Based on MCGS

Liu Shiya， Xiao Hongjun， Lin Meijin， Qu Lili
School of Electro-mechanics & Information Engineering， Foshan University， Foshan， 528000， China

Abstract:Foster innovation is one stage of the undergraduate training objectives for each ordinary institutions of higher learning. With college enrollment， each student enjoyment of resources and attention was reduced. Thus each experiment should focus on the Cultivation of Creative Thinking. The traditional process control experiment with configuration software for the carrier .Among the students in the experimental， excessive dependence on the operating instructions， lack of independent thinking and innovative ability. This paper presents "Practice + Innovation" experimental teaching mode. Improve each student's initiative， stimulate innovation awareness， and better the effect of experimental teaching.

Key words:MCGS confguration software； process control； practice； innovation

收稿日期：2015-10-28

作者简介：刘士亚，硕士，助理实验师。

基金项目：2014 年广东省“创新强校工程”专业综合改革和应用型人才培养示范专业项目；佛山科学技术学院“创新强校工程”教学改革项目——优秀教学团队。