面向酿造过程的复杂系统控制虚拟仿真实验教学改革

于赫洋， 白瑞峰， 王 超，c， 梁 潇

（天津大学a.电气自动化与信息工程学院；b.电气工程与自动化国家级虚拟仿真实验教学中心；c.天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072）

0 引言

酿造过程作为一种典型且复杂的控制对象［1］，涉及多个学科，是培养自动化专业学生解决复杂工程问题能力的重要载体［2］。“过程控制系统”是自动化专业的核心课程，对于工程人才培养意义重大［3］，酿造过程控制是该课程的重要实践环节。在教学内容和授课模式方面，实验教学研究者已进行了许多探索与实践［4-7］，但由于真实酿造过程成本高，周期较长，一般为12 ～24 d，且存在水污染、大气污染、固废污染和微生物污染等风险［8-9］，对现场操作要求高，绝大多数岗位需持证上岗［10］，因此，出于安全与效益等因素的考虑，学生难以在实践教学过程中动手操作，一般仅停留在参观层面。而在实验室环境下，常采用水来代替酿造过程对象［11］，但带来的问题是实践对象缺失了非线性、时变、大迟滞等复杂特性，限制了高阶性、创新性实验的开展。因此，利用信息化技术，开展面向酿造过程的复杂系统控制虚拟仿真实验，对培养学生解决复杂工程问题能力和创新能力具有重要的意义和必要性。

本文结合“过程控制系统”课程核心知识点，以酿造过程控制为载体设计虚拟仿真实验课程，采取模拟真实工业现场，又符合教学规律的原则，构建了虚拟环境下的酿造生产线。虚拟对象既具备复杂特性又压缩了实验时间，既可单分部独立控制也可多分部联动控制，形成支持多种控制策略的开放平台。通过工艺、设计、构成和调试等过程和自主设计，学生可以了解酿造过程工艺，也可以完成自主设备操作和控制策略实现，还可以针对复杂对象，探索获得更高性能的控制方法，并团队配合实现整个生产线的联动。

1 实验项目设计

面向酿造过程的复杂系统控制虚拟仿真实验依托我校电气工程与自动化国家级虚拟仿真实验教学中心［12］，基于酿造过程控制系统中抽象复杂的教学内容，采用多层次、递进式方法开展，将酿造背景、工艺技术与实验教学有机结合，构建模拟生产仿真实验环境（见图1）。针对酿造工艺认知及操作、控制模式选择优化、复杂系统控制与多分部联控、控制算法设计与实现等实验操作，使学生全面理解掌握复杂系统控制的理论与方法。

图1 酿造过程控制系统虚拟仿真实验环境

实验利用我校检测技术与自动化装置国家重点学科，在复杂对象建模、检测，机理分析等方面的研究成果［13-15］，以及对发酵过程工艺与控制方面的工程经验，通过压缩时间常数和内嵌复杂特性的虚拟对象设计，解决了实际酿造周期长、污染大和实验装置用水取代丢失复杂特性等问题，形成支持多种控制策略的开放性教学资源，实现了科研成果与教学资源建设的有机融合。虚拟仿真实验课程采用了“情景启发”“任务实现”和“创新探索”三层次递进式实验教学方法（见图2）。初阶实验通过“情景启发式”教学方法，让学生熟悉仿真环境与操作，掌握行业发展、工艺过程、实验要求和操作方式等；进阶实验通过“任务实现式”教学方法，以任务实现为导向驱动教学过程，完成酿造过程单分部的反馈、前馈和串级等控制；高阶实验通过“创新探索式”教学方法，使学生通过该虚仿项目的开放性平台，针对复杂对象，自主分析，调研方案，设计策略，探索获得更高性能的控制方法，并能够实现系统联动。实验过程层层深入，环环相扣，突出自主实验。在真正“做”实验中，逐步加深对知识的理解，提升教学效果。

图2 三层次递进式实验教学架构图

2 虚拟仿真实验教学内容

实验涵盖了“酿造工艺认知及操作”“过程控制系统分析设计”和“复杂系统控制与多分部系统联控”三个层次，以学科前沿成果和实际工程问题为导向，基于虚拟仿真技术，真实运行学生自主设计的控制策略，通过仿真输出控制的性能指标判断控制方案的优劣。

2.1 虚拟仿真环境设计

实验将优势学科成果与虚拟仿真技术结合，以真实生产环境同比例构建三维仿真交互对象，控制柜、发酵罐、电磁阀、差压变送器、传送带、机械臂等单元的机械结构均按照真实酿造工业流程生产线实际对象构建。

虚拟仿真环境中，为被控对象赋予了大量的细节参数，使之具备真实的物理属性。对象内置模型通过科研成果转化而来，支持参数更改，可选择多种控制策略。系统的动态响应过程能够直观显示，同时支持系统动态数据自动记录、数据曲线展示与动态特性指标的测算。

2.2 酿造工艺认知及操作

“酿造工艺认知及操作”初阶实验以概念性认知为核心，观察性实验方式为辅助。实验提供第一人称漫游实验室环境，帮助学生理解酿造过程的分部组成、工艺要求、实现原理等（见图3）。单击各个分部，系统弹出分部介绍及任务要求。仿真环境中可以实现360°全方位的观测与操作，各模块支持无级缩放，满足学生多方位、多角度的感性认知。同时支持VR及AR设备，可以达到“沉浸式”的实验效果。

图3 酿造工艺认知及操作模块

2.3 过程控制系统分析与设计

虚拟仿真实验将任务实现式实验教学法应用于过程控制系统分析设计中，选择不同的分部对象，依据预置的工程实际问题，自主设计实现控制系统，完成控制任务，实现不同分部中液位、温度、压力等参数的控制任务，提高学生自主意识和积极性（见图4）。

图4 过程控制系统分析与设计

通过自主选择合理的控制方案，包括PID 基础控制、串级控制、前馈控制等，系统可自动反馈控制曲线及上升时间、调节时间、超调量等控制参数，并根据反馈结果进一步调整，最终以任务目标达成情况进行评分，在整个实验过程中，系统与学生不断进行交互，引导在完成实验过程中，依据任务进行自主探究（见图5）。

图5 虚拟分析及设计过程

2.4 复杂系统控制与多分部系统联控

在虚拟仿真教学中，除了能够完成基础实验，本实验还提供了研究型高阶实验——复杂系统控制与多分部系统联控，为学生提供创新探索的平台。在高阶实验中，可以自主探索，深入完成多项实体设备无法完成的创新实验，如复杂系统的控制过程研究、多分部系统的联动控制等。

（1）复杂系统控制。结合检测技术与自动化装置学科在过程参数检测与控制方面的科研成果，在3D对象中内置了多种工程实际复杂对象系统模型，充分体现真实酿造过程的多变量、强耦合、慢时变的高度非线性，同时也避免了周期长、高污染等不利影响，解决了实体装置用水代替导致复杂特性缺失的问题（见图6）。

图6 复杂系统控制研究模块

系统支持自主选择模型进行实验，根据任务需求，结合复杂对象特性，设计先进控制算法与优化，依据先进过程控制、神经网络、人工智能等原理自主设计，解决复杂系统非线性、大时滞等控制难点［16］，帮助理解复杂系统的控制原理与过程。

实验可呈现实体实验无法完成的对象内部复杂特性，学生可身临其境探究多尺度状态下的控制效果，从而达到宏观与微观，工程实际与理论研究、科研与教学的有效结合。

（2）多分部系统的联动控制。在虚拟资源下，可以自主添加多个被控对象，构建流程工业生产线。生产线虚拟对象依照酿造工程实际同比例设计，各个单元的机械结构均按照真实酿造工业流程生产线实际对象构建，实验过程中虚拟对象具有真实物理属性，在实验过程中，可以完成多个对象的设计与联合调试，从而掌握复杂酿造过程的完整流程的设计方法（见图7）。

图7 多分部系统的联动控制

在联动控制实验中，增加了过程控制生产线与运动控制生产线的节拍控制，需要根据过程控制生产线中发酵分部的控制参数，与运动控制生产线的运转速度实现匹配，加深对流程工业生产线控制的理解。

3 实验评价体系

根据虚拟仿真实验初阶、进阶、高阶的实验内容，实验设计了“E-T-M”评价体系，以“体验式考核（Experience）”“任务式考核（Task）”“多元开放考核（Multiple）”的多重考核方式，分别从情景启发、任务实现、创新探索3 个层次考核评价，并将考核融入对应实验过程中。以贯穿“初阶”“进阶”“高阶”完整实验过程的“形成性考核”形式，基于性能指标的自动评价方法支撑自主选择控制方案、自主设计控制方法和非唯一答案试错。

考核评价过程由浅入深，环环相扣，以“闭环结构”促使核心知识点的理解过程更加清晰化和深刻化，评价方法充分体现了每个层次实验的特点，即使考核结果有据可依，又可激励学生积极参与。

3.1 体验式考核

体验式考核与沉浸式教学紧密结合，在学生漫步于仿真环境中，观察学习各分部原理与熟悉仿真环境时，以问题弹出的形式进行考核，检查学生的预习效果，同时通过计时进行计分。通过考核，帮助学生真正了解并掌握酿造过程的工作原理与工艺实现（见图8）。

图8 体验式考核

3.2 任务式考核

进阶实验部分将任务目标式教学方法应用于教学中，学生自主选择合理的控制方案，系统自动采集动态响应曲线，并计算上升时间、调节时间、超调量，峰值时间等控制参数，根据反馈结果进一步优化改进，直到完成所选分部的控制任务要求。

3.3 多元式考核

针对实验完成的情况及实验报告，结合形成性考核的思路为此实验设计了“多元式考核”的方式。将考评分为“教师评价”“自我评价”与“互相评价”，学生上传实验报告，并以班级为单位，依据实验报告进行自评和互评，教师为学生进行教评。引导学生全员参与评价考核，确保考评体系的公平性与开放性。

保证最终成绩的客观性和公正性，实验提出了“评价准确度”的概念，由多元考核中每位学生的自评分数与其他学生对他的互评分数的相关度体现，限制学生为自己评高分等不客观评分现象，通过相关系数r来反映该班级整体评分情况的公正性：

式中：xi为某位学生的自评分数；yi为其余学生对该学生的互评分数；r介于区间［-1，1］内，体现了学生的自评分数的相对关系与其余学生对该学生的互评分数的相对关系的一致性程度。

最终，根据学生在酿造工艺认知及操作、过程控制系统分析设计、复杂系统控制与多分部系统联控3 个实验的分数统计总分，并以3D 动画展示酿造产品，实现实验过程、结论与真实酿造工艺过程的全程对接。

4 实验管理平台

面向酿造过程的复杂系统控制虚拟仿真实验依托国家级虚拟仿真实验教学中心平台实施教学管理（见图9）。教学管理系统主要提供了管理员、教务、任课教师与学生四类权限，囊括了包括了教务管理、课程发布、人员信息管理、预约课程管、实验报告提交与审批、教师答疑等功能［17］。

图9 虚拟仿真实验教学中心平台

在实验前，学生可通过计算机或移动设备登录虚拟仿真实验教学中心平台，完成课程选择与预约。在预约时间内，学生可远程登录教学系统，在虚拟酿造环境中完成三部分实验内容。学生提交报告后，教师可以通过平台下载实验报告，验收实验结果，完成评分工作。

5 结语

本虚拟仿真实验教学课程遵照“能实不虚”的原则，以及“两性一度”一流课程标准，将复杂抽象的理论原理形象化，构建了“沉浸式”的酿造过程复杂控制系统工业环境，在虚拟仿真环境中真实再现了工业酿造流程生产线的全过程；实现了实际系统中控制方法研究、极端参数分析、算法创新设计等实体实验难以开展的内容，避免了实体设备的复杂操作，降低了成本，提高了实验的安全及可靠性，解决了真实实验过程由于高危、高污染、高消耗、强复杂性等限制条件难以开展的难题。虚拟仿真实验以学生为中心，学生在实验中参与复杂控制系统的设计操作及管理，通过创新实验内容和实施方式、改进实验教学方法和考核评价方式等，激发学生学习热情，提高学生解决复杂工程问题能力和创新能力，满足新工科及行业人才需求［18］。

目前虚拟仿真资源已经在“国家虚拟仿真实验教学课程共享平台”面向社会开放，积极探索并建立高校间相关实验学分互认机制，进一步发挥示范作用，并可承担学校、相关科研机构和生产企业等人员的科普、科研和培训等服务，实现资源共享及社会辐射，为培养解决复杂工程问题能力和创新能力提供虚拟实训。