过程控制技术课程虚拟仿真实验教学系统建设与翻转课堂实践

窦东阳，王艳飞，王启立

（中国矿业大学，江苏徐州 221116）

适应信息化条件下知识获取方式和传授方式、教和学关系等发生革命性变化的新形势，深化信息技术与教育教学深度融合，教育部决定大力推进虚拟仿真实验教学项目建设工作。艾萌萌等[1]以潜油电动机实验为例，利用虚拟仿真技术，将教学重点、难点融入虚拟场景，构建与生产现场一致的实验场景。王哲等[2]建立了1 000MW 超超临界火电机组燃烧系统虚拟仿真实验系统。涂继亮等[3]开发了航空电子与控制虚拟仿真实验教学系统，可展现与综合航电及飞行控制工程实际相一致的操作流程。王晓慧等[4]开发了基于Matlab GUI 和LabWindows CVI 的自动控制原理虚拟实验教学平台。代伟等[5]利用WinCC、Matlab和OPC 技术，开发了一套易于扩展、界面友好、算法开放的虚拟过程控制实验教学系统。窦东阳等[6]设计了基于组态软件和LabVIEW 的旋转机械状态监控与故障诊断实验系统。可见，相关工作受到了各高校和学者的普遍重视。

过程装备控制技术是过程装备与控制工程专业（机械类）的主干课程，主要讲述过程控制基础知识、检测技术及传感器、调节规律及控制器、执行器及仪表的防爆、单回路控制系统、复杂控制系统、计算机控制系统以及典型过程设备的控制方案等，通过该课程的学习，使学生掌握过程控制的基础理论和工程技术方法，包括测量数据分析处理、传感器检测原理与选型、PID 调节规律及工程整定、调节阀流量特性与选型、单回路控制系统和复杂控制系统分析设计等，具备综合应用所学知识解决相关领域复杂工程问题的能力。课程配套有水箱简单PID 控制等多个课程实验，同时这些实验也是化学工程与工艺专业（化工类）化工过程测控技术课程的配套实验（为方便叙述，两门课统称过程控制技术课程），应用范围广。为了响应国家发展虚拟仿真实验教学的号召，保障实验教学的实施，同时也为翻转课堂教学提供现代化工具和研讨手段，针对机械类和化工类过程控制教学需求，课题组建设了过程装备控制技术虚拟仿真实验教学系统，并开展了翻转课堂应用实践。

1 仿真实验教学系统建设

系统能够模拟现有实验室实际设备，代替其完成相关配套实验。能够完成如水箱简单PID 控制实验中的单回路PID 参数整定，比例（P）、积分（I）、微分（D）参数对过渡过程的影响，以及水箱串级控制中的主、副回路PID 参数整定等实验教学活动，取得与理论分析和实验结果一致的结论。

系统总体设计思路为：利用组态软件开发与实际实验设备相近的操作界面。通过实验测定实际实验设备上、下水箱的特性参数，利用机理加实验综合建模方法，在MATLAB/Simulink 中建立实际设备的仿真控制模型。仿真界面和底层仿真模型通过OPC 技术实现数据交互。

以水箱简单PID 控制实验为例，将下水箱的液位信号与系统给定值相比较，获得偏差信号，输入到调节器，再由调节器输出控制信号调节上水箱的进水调节阀，控制上水箱的进水量，以达到控制下水箱液位的目的。

1.1 水箱特性测定

测定实验室现有双容水箱装置的阶跃响应参数，以20s 的时间间隔采集水箱的阶跃响应数据。在实验中，通过对调节阀的开度进行调节，从而改变上水箱的进水量，给被控对象加入一个阶跃输入信号，且实验中各手动阀门的开度不变。测量上水箱参数，将电动调节阀开度从20%调至30%，而测量下水箱参数时，将电动调节阀开度从30%调至40%。对上水箱30 组数据进行拟合，用切线作图法求取对象传递函数，如图1所示，实线为拟合曲线，虚线为曲线在原点的切线，它与曲线稳态值y（∞）虚线相交于A，解得A 点坐标为（128.5032，96.2924），可得上水箱传递函数为：

图1 上水箱实验测定曲线

同理可得下水箱传递函数为：

1.2 底层控制建模

在MATLAB/Simulink 环境中搭建水箱简单PID 控制方块图，如图2 所示，其中PID 环节的传递函数为：

图2 水箱简单PID 控制方块图

1.3 仿真界面开发

基于组态王软件，参照实际系统界面开发了仿真操作界面，如图3 所示。以水箱简单PID 控制为例，首先对水箱的比例系数进行整定，在界面右下方的控制面板中，点击主比例系数的值，在弹出的输入界面中将水箱主比例系数设为0.5，再点击下水箱给定液位的数值，将其设置为100 mm，实时趋势曲线即刻发生变化，运行结果如图3 右上角图框所示。由图可知，响应曲线在波动两次后趋向于平稳，调节较为迅速，该比例系数设置合理，但存在较大的余差，下水箱液位并未达到给定值。

图3 纯比例调节响应曲线

比例系数不变，向系统中加入积分调节。系统保持运行，在原来的基础上，将积分时间系数设置为0.2，然后再给系统施加一个阶跃输入，将下水箱给定液位设置为200 mm，实时趋势曲线又立刻发生变化，运行结果如图4 所示。观察运行结果可以发现，加入积分调节后，余差得以消除。

图4 比例积分微分调节响应曲线

以上操作步骤和实验效果与实验室实际设备相符，在此基础上，还验证了比例、积分、微分参数对过渡过程的影响，并与实际系统进行了对比，取得了较好的一致性，系统能够用于仿真教学。

2 教学设计思路

翻转课堂与传统教学模式不同，传统教学模式以教师为中心，但是在翻转课堂教学模式中，学生变为课堂的主体，由被动学习转变为主动学习，以目标为导向，能够显著提高教学效果[7-9]。目前大多数的翻转课堂依赖现代化的教学资源，尤以课程视频和在线习题为主，一般以学生线上自学、课堂提问加研讨、课后线上作业巩固的模式开展[10-12]。在这种模式下，学生的动手能力得不到提升，目标导向一个重要的观察点就是学以致用，因此，此模式存在局限[13-14]。

过程控制技术课程虚拟仿真实验教学系统的建设可以弥补上述缺陷，在现有传统课堂教学资源的基础上引入仿真实践环节，建立学生“学—问—用—再学—再问”的学习循环，实现能动手操作的翻转课堂教学。

3 翻转课堂教学实践

以过程装备控制技术课程PID 参数整定教学内容为例，利用仿真系统与超星智慧课堂开展翻转课堂教学。该节教学知识能力目标为：（1）理解放大倍数、比例度、积分时间的概念；（2）掌握比例调节规律、比例积分调节规律；（3）掌握比例度、积分时间对过渡过程余差、最大偏差和稳定性的影响。

课堂教学过程如下：（1）学生课前在超星学习通平台自主学习视频，完成预习题，让学生对比例、积分参数的整定方法有一个初步的认识；（2）利用学习通平台上的话题讨论问题：a.我想控制一个“热得快”，让一锅水的温度保持在50℃；b.要是希望汽车的车速保持在50km/h 不变，你还敢这样做吗？你觉得可行吗？引导学生思考参数整定的例子，试着搜集问题；（3）课中利用仿真系统让学生按照规定的实验步骤按部就班动手操作，将知识学以致用，在操作中将线上自学的知识掌握牢固；（4）引导学生在操作中深入体会，尝试自己解决先前线上学习遇到的问题，或者在动手实践过程中发现新问题；（5）进行分组讨论，交流各自的问题，教师答疑解惑；（6）完成线上练习题，总结各自经验所得，进一步巩固所学知识；（7）让学生利用系统自由探索，教师对下一次教学知识点（微分参数整定）进行适当引导，为下一节的知识学习埋下伏笔。

同时，利用仿真系统开展课程思政教育，让学生动手实践控制系统的稳定性，并施加干扰作用，观察抗干扰性能，了解稳定性对控制系统的重要性。该实践建立了“学—问—用—再学—再问”的知识学习良性循环，实现了能动手操作的翻转课堂教学，在最近一次学生评教中，学生对使用该仿真系统的过程装备控制技术课程的评价为优秀，取得了满意的效果。该系统目前还成功应用于中国矿业大学过程装备与控制工程专业相关课堂教学和毕业设计中。

4 结语

针对过程装备控制技术课程翻转课堂教学，以及人才培养对实验教学的新需求，参照实际实验设备开发了基于组态软件和Simulink 的虚拟仿真实验教学系统。该系统既可在课堂教学相关知识点讲解时演示，提高教学效果，也可在课程配套实验环节由学生一人一机操作，还可以实现能动手操作的翻转课堂教学，学生可以针对自己的疑惑大胆探索，培养了学生动手操作能力，践行了“学生中心”的教育理念，强化了以能力为先的人才培养理念。仿真系统操作步骤以及实验效果与实验室设备基本一致，已经在翻转课堂教学、实验教学和毕业设计环节应用，取得了良好的使用效果。