自动化类课程实验平台及内容体系提升

李 鹏， 陈 勇， 任文平， 苗爱敏， 蒙文强， 刘 吟

(1.云南大学 a.信息学院， b.电子信息技术国家级实验教学示范中心,昆明 650504；2.西门子工厂自动化工程有限公司上海第一分公司，上海 200030)

0 引 言

自动化技术已在农业、工业、航空航天、武器装备及服务业等多个领域得到了不断的发展，自动化类课程已成为大多数高校电子信息类专业本科生培养计划中必不可少的内容。该类课程除了需要学生掌握坚实的理论基础外，还需要培养学生较强的系统分析、设计和实践能力，这也是高等教育培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才之所需。

国内不少高校在自动化类课程实验设备方面投入了大量的资金进行建设，加强了实验环节的教学力度，为培养具有创新性且工程能力强的学生进行了不断的探索。刘中等[1]提出了加大自动控制原理实践教学的设计性实验比重的方案；杨欣等[2]对自动化类课程的实验模式和系统进行了充实和提高，实现对自动化专业及不同工程专业学生的综合实践能力、创新能力和工程能力的培养；赵亦欣等[3]提出了基于建构主义理论的自动化专业实验教学改革的探索新方法和新思路；朱涛等[4]开发了仿真与原型实现相结合的仪表自动化实验系统，实现了控制系统实验虚拟与现实环境的灵活切换。

但对于尚未开设自动化专业的地方综合性大学,由于实验室建设的起步条件、资金投入及其他客观因素所限,因此如何提升自动化类课程的实验平台及内容体系,培养学生创新精神和实践能力,成为值得探索的问题。本文以云南大学为例，重点分析了包括云南在内的国内高校自动化类课程实验平台及内容体系存在的不足，提出了自主集成及研发半实物混合仿真实验平台的构建方案和由浅入深、符合自动化技术发展潮流的实验内容教改方案，提升了云南大学自动化类课程实验内容的工程性及前瞻性，以及实验设备的利用率及潜力。

1 实验平台及内容体系现状

我校作为地方综合性重点大学,虽尚未设立自动化本科专业，但自上世纪90年代以来，在相关的电子信息本科专业以及控制科学与工程研究生专业中，逐步开设了自动控制原理(本科)、可编程控制器技术(本科)、控制系统工程设计(本科)、现代控制理论(研究生)、现代控制系统(研究生)以及控制工程综合与实践(研究生)等多门自动化类课程，并于2013年9月与上海西门子工业自动化有限公司联合建立了“控制工程实验室”，即：“西门子—云南大学先进控制技术联合实验室”。

该实验室拥有故障安全型自动化控制系统、先进运动控制系统(双轴)、高级过程控制系统(PCS7)等实验平台5套，以及18套S7-200系列PLC。并配套了高级型过程控制综合实验平台、普通型过程控制综合实验平台、四旋翼飞行仿真器、多级倒立摆、运料小车实验平台、可编程序控制器教学实验平台等控制系统实验对象(见图1)。

控制工程实验室的教学体系内容基本满足了自动化类专业核心课程和选修课程的实践教学需求，也为控制科学与工程学科的相关科研实验提供必要的平台支撑，但还存在以下两个方面的问题。

图1 控制工程实验室课程体系及实验平台

(1) 实验内容侧重理论仿真，工程性不强。自动控制原理、现代控制理论及现代控制系统等课程知识面广、内容多、理论性强，控制系统分析、设计过程涉及到各种分析方法和复杂的计算模型，内容比较抽象，教学过程中难以让学生将理论所描述的系统与各种实际的自动控制系统联系在一起，极易造成理论与实际脱节，所以教学时必须辅以足够的课程实验[5]。

在国内各个高校，上述课程的实验教学主要偏重于理论仿真。大部分学校借助于Matlab仿真软件并结合应用实例，将控制理论分析及工程设计方法渗入到实验教学中[6]；也有学校采用实验箱、Matlab和电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)仿真三者相结合的方法[7]；或是基于OrCAD-PSpice仿真软件进行控制系统综合设计[8]；或是针对实验箱工程性不强的缺陷，设计了基于Simulink/RTWT的半实物仿真实验系统[9]。

目前，信息学院自动控制原理等课程的实验教学，主要侧重于基于Matlab Simulink工具箱的虚拟仿真。当然，对于以实践教学为主的可编程控制器技术、控制工程综合与实践等课程，已逐步增加了基于实际控制系统及控制对象的实验内容，但基本模式还处于“半实物仿真”的阶段，离工程化的实验还差一步之遥。

而作为工科专业的本科生及研究生，上述实验模式及内容已无法全面调动他们的主动性和积极性，不利于对他们创新能力和工程设计能力的培养。

(2) 实验设备的利用率不够，潜力尚未完全发挥。从实验开展的数量层面上看，控制工程实验室23套控制系统在春季及秋季两个学期均向本科生和研究生开放使用，设备使用效率尚可。

但是，西门子的故障安全型自动化控制系统、先进运动控制系统(双轴)、高级过程控制系统(PCS7)等实验平台5套设备均为目前工业领域非常先进的控制系统，它们融合了西门子全集成自动化的先进理念，也采用了西门子最先进的控制技术。若开展的实验内容主要以简单的顺序逻辑控制为主，则无法完全发挥上述实验设备的潜力。

特别是当今自动化领域已迈向了网络化及智能化的工业4.0时代[10]，如何让学生掌握和了解最先进的工业控制技术，为我国的智能制造、互联网+的发展战略培养合格的工程师，是自动化类课程实验需改进的方向。只有如此，才能极大地提高控制工程实验室设备的实际利用率，满足自动化技术的发展潮流。

2 实验平台及内容体系提升方案

针对上述两方面问题，对现有的自动化类课程实验内容体系及平台进行研究、充实和提升，增强了实验平台的工程性为培养电子信息类本科学生以及控制科学与工程类研究生具备先进控制系统的综合设计、系统分析和系统实现以及理论验证和能力创新，提供一个坚实的实践基础。具体方案及方法如下：

(1) 自主集成及研发实验平台，提高控制装置的潜力。对于资金充裕的高校而言，直接购买控制系统和控制对象集成一体的实验平台是省力省时的上佳选择。但由于控制系统不是自主集成和研发的，因此一旦需要扩展和提升实验内容及提高控制装置的“潜力”，就会遇到极大的困难。

根据控制工程实验室的现状，已经购置的23套西门子控制系统且基本满足了顺序逻辑控制的实验需求，但是复杂过程控制对象比较缺乏。此时若再添置集成了控制系统的复杂过程控制实验对象，则会造成部分控制系统的闲置，且集成好的实验对象难于进行二次开发，无法满足实验教学内容向网络化、智能化方向发展的需求。

因此，本着节约成本与便于二次开发，选择了自主研发实验平台的方案，如图2所示。即：利用已购置的不含控制系统的实验对象，包括诸如双容水箱、运料小车等简单过程对象，以及带加热炉的三容水箱系统等复杂过程对象，利用现有的西门子S7-200、S7-300及PCS7控制系统进行集成，基于Kingview或Wincc,自主研发控制系统的人机接口软件。

图2 集成及研发的实验平台

另一方面，还设计了基于西门子S7-200/300PLC的半实物半仿真的混合实验平台，如图3所示。该实验平台基于西门子现场总线和PLC控制控制系统，结合KingView组态软件以及Matlab/Simulink仿真软件，构造了一个半实物、实际与虚拟相结合、涵盖优化层、监控层及过程层的工业过程控制混合仿真平台[11-12]。该平台可针对锅炉系统、精馏塔、加料机等过程虚拟对象，建立先进过程控制(APC)控制策略模型，并基于以太网及OPC通信，实现控制器、虚拟对象、组态系统及优化模型之间数据的互联互传。

图3 半实物实验仿真平台

上述两方面的工作为自动化类课程中开展复杂控制系统、智能控制系统、网络化控制系统的工程实验奠定坚实的平台基础。

(2) 完善实验内容体系，由浅入深地提高学生工程实践能力。为了提高学生的工程实践能力，制定了“简单、复杂、智能、网络化”4个层次的实验内容，如表1所示。

第1、2层次的简单及复杂控制系统仿真与工程设计实验，主要培养学生运用经典控制理论进行控制系统分析、设计的能力，授课对象主要为电子信息类本科生；第3、4层次的智能及网络化控制系统仿真与工程设计实验，主要培养学生运用现代控制及智能控制理论进行控制系统分析、设计的能力，授课对象主要为电子信息类卓越工程师班本科生以及控制科学与工程专业研究生。

上述4个层次的实验内容体系安排，目的在于由浅入深地引导、提高学生工程实践能力。学生除了要完成基于Matlab的控制系统仿真实验外，还要基于运料小车、加热炉、多容液位系统等实际过程控制对象，循序渐进地把简单、复杂、智能及网络化控制系统的理论仿真结果应用于实际的控制系统中，从而在提高了学生的工程实践能力，同时也初步培养了学生设计智能控制系统和网络化控制系统的能力。

表1 实验内容体系方案

3 结 语

如何提升自动化类课程的实验平台及内容体系，培养符合智能制造、互联网+国家发展战略需求的工程师，是大学实验教学值得探索的问题。本文以云南大学为例，分析了国内高校特别是地方综合性大学在自动化类课程实验方面存在的不足；提出了自主集成及研发实验平台，提高实验装置潜力的平台建设解决方案；以及由浅入深的制定了“简单、复杂、智能、网络化”4个层次的实验内容体系，在逐步提升学生工程实践能力的同时，也为培养具备智能、网络化技术特征的专门人才进行了初步的探索。