张力控制实训系统的研制与应用

徐银梅 崔家瑞 阎 群

北京科技大学自动化学院 北京 100083

北京科技大学自动化专业在2009年获批国家级CDIO特色专业，并于2012年通过验收；2013年获批卓越工程师教育培养计划(以下简称“卓越计划”)，2015年顺利通过工程教育专业认证。CDIO培养模式中C为构思(Conceive)、D为设计(Design)、I为实现(Implement)、O为运行(Operate)，要求以产品从构思研发到运行的全生命过程为载体，培养学生的工程能力[1]；卓越计划重在培养学生工程实践能力、工程设计能力、工程管理能力和创新能力[2]；工程教育专业认证则通过OBE、以学生为中心和持续改进理念培养学生解决复杂工程问题的能力[3]。三者在学生培养目标上是一致的，都是培养复合型工程创新人才。

针对培养复合型工程创新人才的要求，我校近几年进行实验室建设及实验教学改革，并研制开发了一批来源于实际工业系统并具有鲜明行业特色的自动化专业实训设备。针对这些设备开设自动化生产线实训课程，采用工程项目开发的方式进行实践教学，学生可通过项目设计将整个课程体系有机而系统地结合起来，全面了解和掌握自动化科学与技术发展，提高专业技能，培养解决工程实际问题的能力。下面介绍我校研制开发的张力控制系统实训设备及其在教学中的应用，与同行共同学习探讨。

1 张力控制实训系统的研制

卷曲张力控制系统广泛地应用在冶金、造纸、印刷、纺织等行业。在板材、线材的卷曲和开卷过程中，恒张力控制对产品的质量有着至关重要的作用，张力过大，材料拉伸会变形甚至断裂，张力过小会造成材料堆叠、变形[4]。张力控制是自动化技术的一项重要工业应用，具有复杂性和代表性，且具有鲜明的冶金行业特色。学生实习时只能通过现场参观对张力控制有个感性的认识，并不能亲身实践，并且市场上没有类似的教学设备，基于此，我校依据钢铁领域的轧机控制系统研制开发了张力控制系统实训设备(如图1所示)，通过纸张卷曲过程的张力控制模拟出工业系统张力控制的基本应用方式，并对某些实际环节进行适当的简化设计，使其更适用于高校的实践教学方式。

图1 张力控制系统

1.1 张力控制系统组成

硬件系统组成：S7-300可编程控制器(1台)，三菱FR-D700变频器(2台)，西门子三相交流电机(2台)，减速机(2台)，张力传感器(2个)，张力信号放大器(2个)，机架，纸辊。硬件结构图如图2所示。

图2 张力控制系统硬件结构图

表1 张力控制系统实训能力匹配要求

1.2 张力控制系统实验软件

实验软件(如图3所示)采用亚控组态王开发，控制张力系统的正、反向启动及停止，在线更改控制参数，以及可实现系统状态监控，实时显示控制曲线及参数，可同步查看实验步骤及实验注意事项等文档。系统实验软件开放，学生可植入自己的控制算法，进行控制算法的优化研究。

图3 张力控制系统实验软件

2 教学应用[5-9]

我校结合工程教育认证的OBE理念和CDIO工程教育模式进行实践教学改革，采用反向设计、正向实施的方式进行实验教学。反向设计是指根据培养目标设计毕业要求，在毕业要求的基础上设计课程实验内容。正向实施是指以学生为中心的正向实施过程，通过CDIO各个过程达到设定的毕业要求和培养目标。

张力控制系统实训课程依据毕业要求制订能力指标点的权重，再进行指标点分解，制订实训各环节的能力匹配要求(见表1)。

实训课程按CDIO模式分为4个阶段，模拟工程实际中项目开发组项目开发过程，小组成员分工合作，共同完成实训任务。实施过程中按照CDIO各阶段的要求进行实践教学和考核。

2.1 构思阶段

在构思阶段，教师提出张力系统的控制要求，对张力测量精度、控制精度及控制周期提出要求。学生要按实际工程项目运行的方式进行项目需求分析，通过查阅文献资料、小组讨论等完成《项目需求分析报告》，之后，教师组织学生项目需求分析报告答辩，教师和其他组的学生为甲方对《项目需求分析报告》进行提问、点评，在答辩过程中，通过教师提问，引导学生发现问题，并通过师生共同讨论，寻找解决问题的办法。学生修改报告后再次提交；项目需求分析报告被判定合格后方可进入下一阶段。

在此阶段，通过教师的引导，训练了学生发现问题和解决问题的能力，并使其掌握实际工程项目需求分析的方法。

2.2 设计阶段

在设计阶段，学生要根据教师提供的相关技术资料及控制指标完成张力系统的硬件设计、软件设计及算法设计，在此过程中，学生要查阅系统硬件手册，了解相关设计标准和规定，如HG/T 20636-1998《自控专业工程设计管理规定》、HG/T 20637-1998《自控专业工程设计文件的编制规定》等标准及规定，通过查阅文献、小组讨论及教师答疑等途径完成项目可行性分析、系统硬件设计方案及软件设计方案，并写出《项目设计报告》；设计方案完成后，学生制作PowerPoint，教师和学生共同参与的项目方案评审答辩会，会后根据评审意见进行修改，教师任可后，方可进入下一阶段。

在此阶段，教师主要提供相关技术支持，进行项目方案评审，通过设计阶段的训练，培养了学生的工程设计能力及创新意识。

2.3 实施阶段

在实施阶段，设计小组首先要制订《项目实施方案》，方案通过后，小组成员分工合作，到实验室完成可编程控制器、变频器、电机等硬件的连接，并进行性能测试；接着下装例程，连接组态软件进行系统调试；调试正常后，下装学生自己编写的控制程序进行系统调试，通过不断地改进、优化算法，达到控制指标的目的。

通过实施阶段的工作，培养了学生的工程实践能力及团队协作精神。

2.4 运行阶段

在运行阶段，要进行现场展示和答辩，通过加入张力扰动信号，验证控制系统的稳定性和鲁棒性指标，根据运行结果进行现场调试改进，达到项目设计运行要求。在运行阶段，培养了学生的工程问题分析能力及团队协作能力。

这4个阶段结束后，学生撰写张力控制系统实训报告并上交。

3 课程考核

张力控制系统实训课程依据CDIO各阶段所要求的能力培养目标进行考核，各阶段考核能力如图4所示。

图4 CDIO各阶段考核能力

张力控制实训系统课程考核成绩主要包括平时成绩、报告成绩、答辩成绩和创新成绩。平时成绩包括实验操作熟练度、实验结果正确率、设备损坏率；报告成绩包括需求分析报告、设计报告、实施方案、运行结果；答辩成绩包括回答问题正确率、语言表达能力；创新成绩包括性价比、非技术因素、控制指标完成度。这种实践教学的考核方式，可做到全过程检验学生的学习成果，有效地督促学生认真完成实践内容，提高了实践教学效果。

4 结语

张力控制系统实训设备于2014年投入使用，已应用于12～15级自动化专业和智能专业本科生的相关实验课程及课程设计，且近5年，承担本科毕业设计20余项，同时还有部分研究生基于张力控制系统进行控制理论应用研究。本套设备曾获校实验技术成果特等奖，且2018年参加第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛作品展示受到众多同行的关注与好评，并获得大赛一等奖。张力控制系统实训设备的研制与应用不仅取得了很好的经济效益，还有效提升了学生的工程实践与创新能力。同时本实训设备也可应用于造纸、纺织、印刷等行业高校，具有一定的通用性和推广性。