基于双容水箱液位控制案例的过程控制系统教学研究

胡银龙　王冰

摘要：过程控制系统以工业生产过程为对象，融合控制理论与方法、自动化仪表等技术手段，是一门理论和实践结合较强的自动化专业课程。本文以基于Simulink的双容水箱液位控制系统为例，结合课程中串级控制等教学内容，探讨实例化的对照教学方法在过程控制系统课堂教学中的应用问题。通过对抽象教学内容的实例化和可视化，加深学生的直观感，增加学生的学习兴趣，提升教学效果。

关键词：过程控制；Simulink仿真；实例化教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）25-0179-02

一、引言

“过程控制系统”是自动化专业的一门理论和实践结合较强的专业课，涉及的内容较为广泛，主要包括控制系统建模、自動化仪表、控制理论和控制系统分析与设计等[1]。课程教学的主要目的是让学生在了解、熟悉、掌握工业工艺生产流程和生产过程的静、动态特性基础上，根据工艺要求，综合运用控制系统中的基本理论、现代控制技术方法，分析、设计与制定过程控制系统，从而提高学生的分析问题和解决问题能力[2]。作为有明确工程导向的专业课程，过程工业中的很多实际应用案例都有相应的理论为支撑，而课程中的大量概念和理论也都可用直观的案例或图形图像来表现其内在本质。然而，一方面，在基础理论的学习中，概念和理论的数学化讲解占据了主导地位，导致部分学生无法将学到的理论知识进行可视化和工程化；另一方面，在实践课程的学习中，重动手仿真能力而轻理论分析，导致部分学生无法透过实验中的现象认识内在机理。因此，在教学的过程中，如何在理论分析与工程实践之间搭建起沟通的桥梁，引导学生形象化地学习抽象的理论方法、理论化地分析实践中的客观现象，让学生在理论与实践间灵活切换，从工程的角度帮助学生建立“系统、信息、控制”的基本概念，是“过程控制系统”这门课程需要持续探讨的话题，具有重要的现实意义。

随着现代工业的发展、科学研究的深入与计算机软、硬件的发展，计算机仿真技术已成为分析、综合各类系统特别是大系统的一种有效的研究方法和有力的研究工具，计算机仿真技术已经广泛应用在各技术领域、各学科内容和各工程部门[3]。在过程控制理论和实践的教学中，可通过计算机仿真使学生在无须亲临工业生产现场的情况下，充分了解和掌握各类过程工业系统的特点以及相应的控制方法与参数整定方法[4]。为充分发挥计算机仿真的作用，本文以基于Simulink的双容水箱液位控制系统为例，研究实例化的对照教学方法。

二、基于双容水箱液位控制系统的教改思路

液位是过程控制工业常见的控制量之一，双容水箱液位控制系统是过程控制系统教学中常用教学案例之一，控制目标为通过调节上水箱入水量来保持下水箱液位在某一给定值。本文通过数学建模分析、Simulink仿真模型的建立、控制方法对照分析等，来探讨实例化的对照教学方法在过程控制系统课程中的应用。

1.液位系统物理建模。对于双容水箱系统，水流通过调节阀流入上水槽内，而后由上水槽流出到下水槽。若记流入量Qi，流出量Q2，中间流量Q1，上下水箱水位高度h1、h2，上下水箱底面积为A1、A2，通过列些系统动态微分方程并经过拉普拉斯变换，即可得到双容水箱系统的传递函数。

2.控制方法对照分析教学。串级控制是过程控制工业中常用的控制策略，其可以有效改善过程品质，得到了广泛的应用，是过程控制课程中重要的控制方法[1]。与简单单回路控制系统相比，串级控制系统结构上存在两个闭环，分别负责控制过程中的粗调和细调任务。此外，由于副回路的存在，串级控制增强了克服干扰的能力，提高了系统的响应速度，改善了系统的控制质量[2]。在教学过程中，常常采用简化对象模型，然后经过严格的数学推导，对串级控制系统的上述优点进行论证。这种教学方法虽然可以帮助学生建立系统的分析和解决问题能力，保持课堂内容的严谨性，然而，由于缺乏实例化和可视化的直观感受，学生往往无法从“量”和“质”两个角度全面地理解串级控制的内涵。因此，我们以双容水箱液位控制为例，探讨实例化的对照教学方法。图1所示为基于Simulink的单回路和串级双容水箱控制系统框图，通过对比，两类控制系统结构上的差别一目了然，学生可对串级和单回路控制系统结构上的区别有更加直观的认识。双容水箱液位控制系统对象模型并不复杂，并且Simulink是自动化专业常用的仿真软件之一，因此以基于Simulink的双容水箱液位控制系统为教学案例进行课堂演示，有助于学生更好地理解和消化课堂教学中的基本概念，建立完整的知识系统。

图2所示为串级控制与单回路控制的阶跃响应仿真结果，反映了两种控制方法性能上的差异。通过对比，学生从“量”的角度，对两类控制方法有了比较清楚的认识。此外，课堂上也可直接演示该Simulink仿真系统，使学生对PID控制、串级系统、参数整定等教学内容有更直接的体验，增强学生的学习兴趣，提升教学效果。

三、结语

本文结合双容水箱液位控制系统，探讨了实例化对照教学方法在过程控制课程教学中的应用问题，将课程中的抽象概念转化为具体实例，学生对知识的直观感得到有效的加深，因此增强了学生的学习兴趣，最终提升了教学效果。

参考文献：

[1]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]陈夕松，汪术兰.过程控制系统[M].北京：科学出版社，2005.

[3]徐勇.计算机仿真技术教学方法思考与探讨[J].电脑知识与技术，2012，8（18）：4453-54.

[4]陈夕松，张景胜.过程控制发展综述与教学探讨[J].南京工程学院学报，2002，2（1）：49-53.