基于工程教育的《过程控制及仪表》阶梯型实验教学研究与探索*

吴宏岐 李小斌 陈江

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西宝鸡721007）

基于工程教育的《过程控制及仪表》阶梯型实验教学研究与探索*

吴宏岐 李小斌 陈江

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西宝鸡721007）

为提高工科学生的工程实践能力，有效实施工程教育，激发学生工程研究兴趣。在《过程控制及仪表》专业技术实验教学中，按照实验内容由简单到复杂，实验难度逐级提高，研究设计五个梯级的阶梯型实验教学模式。通过一个实际工程项目水塔水位控制系统设计实验，使得学生掌握一个项目开发研究过程；由易到难的设计性实验方案实施，能够循序渐进地提高学生过程自动化设计研究能力。实践表明，阶梯型实验教学模式具有较好的工程教育效果。

工程教育；工程实践能力；阶梯型实验

一、概述

在我国工业规模的不断发展扩大形势下，教育部实施了“卓越工程师教育培养计划”，明确了办学思想，确定工科人才培养目标和方法，强调提升学生的工程实践能力、创新能力和国际竞争力。就是要为社会培养善于分析问题和解决实际工程问题的高素质工程技术人才，满足工业高速发展的要求。“过程控制及仪表”是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表知识等相结合的一门综合性应用强的专业技术课程。课程任务是在了解、熟悉、掌握生产工艺流程与生产过程的静态和动态特性的基础上，应用现代控制技术来分析、设计、整定过程控制系统，并解决实际工程应用中出现的问题。由于它与生产过程联系密切，如没有合适的实验项目配合，则学生对其内容很难理解并掌握，更谈不上复杂过程控制系统的设计。为此，从工程应用角度，我们按照普通高校应用型人才培养目标，设计研究阶梯型实验教学模式。实验内容由简单到复杂，分为五个等级，逐级提高难度。使学生能够循序渐进的掌握工程设计过程，并对工程产生研究的兴趣。通过阶梯型实验教学，使学生树立了强烈的工程意识，具有较高的工程实践能力。

二、“阶梯型”设计性实验教学方案

我们在“过程控制及仪表”课程实验教学中，增强设计性实验教学，以提高应用型人才培养质量。按照内容由浅到深、能力逐渐增强的思路，以提高工程实践能力为导向，以专业知识体系为主线，设计了“水塔液位控制”实验项目。从低到高、从简单到复杂，确定五种控制方案，从易到难将这些不同控制方案对应的实验构建为五个阶梯。第一阶梯实验为人工控制水塔液位，以工程认知和工程意识培养为主。让学生理论联系实际，了解和掌握什么是被控对象、被控参数和控制参数，建立一个工程概念；第二阶梯是两位式液位控制实验，主要是让学生建立自动控制的概念，了解生产过程控制机理，其目的是培养学生的工程素质。第三阶梯是电动阀实现的连续液位控制实验，主要是让学生深刻认识PID连续控制及参数整定的重要性，正确选择自动化仪表，其目的是提高学生的工程设计能力；第四阶梯是变频器实现的液位控制实验，其目的是培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力；第五阶梯是PLC实现的液位控制实验，其目的是培养学生工程科研能力。通过以上由低到高逐步强化的“阶梯型”实验方案的实施，提高了学生的工程实践能力。使学生能灵活应用《过程控制及仪表》课程知识，为工矿企业设计符合要求的生产过程自动控制系统。

三、“阶梯型”设计性实验教学方案的实施

（一）第一阶梯“人工控制水塔液位实验”

本实验主要使学生建立液位控制的概念，培养学生的工程意识。采用人工控制的方法把水塔（用水箱代替）的水位调节到设定液位点（如15cm）上，实验系统如图1所示。水箱就是被控对象，液位就是被控参数，水箱进水量是控制参数，水箱就是被控对象。在干扰作用下（通过改变出水阀开度），水位会变化，通过手动调节进水量，从而实现稳定水箱液位的目的。但通过手动实验，得到的液位变化曲线图2所示，水箱液位不能控制在设定值上，而是在其设定值上下有较大幅度的波动，且幅度均不相等。操作者既要用眼睛观测水位，又要用手操作阀门，工作忙乱、耗时费力。让学生认识到人工控制不及时，控制准确性差、控制效率低等问题。从而引入自动控制概念，用仪表代替人，实现水箱液位的自动控制。

图1　人工液位控制系统流程图

图2　人工控制液位变化曲线

（二）第二阶梯“位式液位控制实验”

本实验主要让学生建立一个单回路液位控制系统，使学生掌握自动控制系统的设计方法及如何搭建一个单回路控制系统，并根据系统运行中存在的问题，采取有效措施加以解决。采用人工控制效果差，可引导学生设计位式控制系统实现液位的控制，即用自动化仪表代替人实现自动控制。由学生自己选择仪表搭建“位式液位控制系统”如图3所示，把水塔液位控制在某一高度上（15cm），当用户用水量变化，就会导致水箱水位变化，通过液位检测器检测水位并转化为电信号，在送给二位式调节仪表，调节仪表通过电磁阀控制水箱进水量，从而实现断续液位位调节。

图3　两位式液位控制系统流程图

通过改变出水管道阀门开度，改变水箱出水流量，从而模拟用户用水变化。当水箱出水量变化后（即干扰），导致水位变化，在二位式控制系统的调节下，水位在设定的水位（15cm）上下波动，如图4所示。

分析水位变化曲线，控制系统也不能将水位保持在设定的水位（15cm）上，但振荡幅度很小，其控制精度得到提高。整个调节过程由自动化仪表构成的过程控制系统完成。系统参数（给定值设置）确定，无需人的干预，自动实现水位控制。这个位式控制系统简单，调节器简单便宜、执行器为电磁阀也简单便宜，且无需繁琐的调节器参数整定，但控制过程存在振荡。实际工程中，只能用于控制精度要求不高的场所。实验中可发现电磁阀动作的频率很快，很容易导致电磁阀损坏；从实际水塔供水工程上看，只要保证水塔有水，满足用户用水要求即可。为此，可以让学生设置一上限水位点和下限水位点，当水位低于下限时，控制管路进水，当水位高于上限时，控制管路停止进水，从而将水位控制在某一范围中，如图5所示。这样电磁阀动作的频率就不高，也就不容易损坏，这样整个调节系统可靠性能得到保证。

图4　两位式控制液位变化曲线

图5　上下区间液位控制变化

（三）第三阶梯“PI调节器实现的连续水位控制实验”

在生产实际中，很多生产工艺要求容器中水位保持在某一恒定的数值上，上述位式调节系统显然达不到要求，就必须考虑采用连续调节器和电动阀实现水位的连续调节。我们选择PI调节器，构成一单回路PI连续调节系统，如图6所示。控制系统工作时可以连续改变电动阀的开度，实现进水量的精确调节，使得水位保持在某一确定的数值上。如图7所示，在干扰作用下（通过改变出水阀门开度施加扰动），水位发生变化，控制系统只需经过两个震荡周期，便可以使水位准确调整到设定值（15cm）上，且保持不变。本系统所用的调节器和电动阀价格较贵，整个调节系统造价较高；调节器参数整定不容易达到最优，如果参数整定不合适，系统就会出现超调大、过度时间长、静差大等问题，调节质量达不到工艺要求。实验结果可使同学感受到自动化仪表在系统设计中的重要，系统调试运行中调节器参数整定的重要性。

（四）第四阶梯“变频器实现的水位控制实验”

图6　两位式液位控制系统流程图

图7　PI调节系统液位变化曲线

图8　液位控制系统流程图

图9　变频器控制的液位变化曲线

这为综合设计性实验，需要综合多门课程所学知识来搭建液位控制系统。为提高液位调节系统的动态品质，满足更高的工艺要求，我们将水泵更换为磁力泵，增加一变频器，设计变频器实现的水位控制系统，如图8所示。调节器通过变频器控制磁力泵的转速，调节水箱进水流量从而实现更加精确的液位调节。当扰动出现后，系统调节水位变化如图9所示。可以看出，系统超调小、调节时间短及静态偏差也很小，系统调节效果非常好，可满足更高的工业过程生产需要。

（五）第五阶梯“PLC实现的电动阀双容液位控制实验”

本实验是一设计研究性实验，采用可编程序控制器（PLC）实现液位控制，可实现复杂被控对象的液位恒定控制，如图10所示。将下水箱水位控制在设定的高度。根据下水箱液位信号输出给PLC，PLC对其接受信号与给定信号比较后的结果进行PID运算，输出信号给电动阀，然后由电动阀控制上水箱的进水量，从而达到控制液位恒定的目的，如图11所示。这个被控过程比较复杂，是一个双容对象，存在容量滞后问题。系统设计中PLC输入、输出信号需要A/D、D/A转换，需要编写PLC控制程序、PID运算程序、需要控制参数整定等工作。实验中出现的问题，需要分析症结加以处理，如PLC地线未可靠连接好，在干扰的影响下，水箱水位变化曲线出现锯齿紊乱现象如图12所示。

图10　双容水箱液位控制系统

图11　PLC控制的双容液位变化曲线

图12　PLC未连接地线时液位变化曲线

四、结束语

阶梯型实验教学模式是将工程案例引入实验教学中，学生完成从手动控制到自动控制实验、从低级系统控制设计到高级系统设计控制实验。能有效地激发学生学习过程控制兴趣，启发学生认识、理解和掌握生产过程自动控制。实验中，系统控制质量要求逐级提高，使得学生深入研究设计方案，分析和解决实验中出现的问题，从而增强了工程实践能力。这种实验教学模式适合在开放性实验采用，应以学生为主体，老师启发引导学生实验。学生可合作完成实验，根据能力强弱，从低到高逐级进行，从而达到完成不同梯级的实验。

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［8］杨宗强，李杰，刘春英，等.构建“三个层次五阶段”实践教学体系培养应用型工科院校学生工程能力［J］.实验技术与管理，2014，7.

To improve the engineering practice ability of the students，effectively implement engineering education，and inspire their interests，a kind of 5 steps ladder-like experiment teaching mode is used in experiment teaching environment of process control and instrument.The difficulty of experiments is increased step by step according to the contents from simple to complex.It helps the students master a project development process through an experiment of the control system design for the water tower water level.The student abilities of research design for process automation can be gradually increased by the design experimental scheme implementation.Practice shows that the ladderlike experiment teaching model has good effect on engineering education.

engineering education；engineering practice ability；ladder-like experiment

G642

A

2096-000X（2016）21-0013-04

宝鸡文理学院教改重点研究项目（13JG16）；陕西省教育科学研究项目（SGH12414）

吴宏岐（1963，03-），男，宝鸡文理学院电子电气工程学院教授，研究方向：智能控制。