虚拟实验平台在《过程控制》教学中的应用研究

顾梦祺

摘 要过程控制是测控技术与仪器专业学生人才培养大纲中的一门专业必修课，它将自动控制理论、计算机控制技术等学科结合在一起，但更重视工业过程实例，对学生的理论与实践综合能力要求较高，所以如何将课程的实验教学活动开展的更好就显得尤为重要。本文在分析《过程控制》课程特点的基础上，通过“虚”、“实”相结合的方式，在基于J2EE架构的B/S结构系统的过程控制虚拟实验实训平台上探讨了该课程的实验教学模式，并以串级与单回路控制对比仿真实验为例详细介绍虚拟实验实训平台使用方法。

【关键词】过程控制 实验教学 虚拟实验平台

过程控制是测控技术与仪器专业的专业必修课程，是一门跨学科及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，它需要理论和实际紧密结合，应在学习过《电路》、《数字电路技术》、《模拟电路技术》、《计算机原理》、《微控制器原理及应用》、《自动控制原理》等课程的基础上开设，为后续课《集散控制系统与现场总线》、《自控系统综合设计》、《仪表安装技术》等提供技术支撑。

课程内容主要包括自动控制仪表、过程建模、控制器的参数整定、单回路控制系统、复杂控制系统、先进控制系统以及典型的工业过程控制系统。

通过理论与实验课程的学习，要求学生掌握过程控制系统的基本控制原理、多种不同控制系统之间控制效果的差异，以及针对具体生产过程的控制分析、设计方法。通常过程控制课程的学习也离不开自动化仪器仪表的学习，所以在课程讲解过程中，要求学生学会选型并使用常用的控制仪表，并可以对其日常出现的基本问题进行调试、维护等。在过程控制系统方面，需要学生对于生产实际过程的工艺原理要有深入的了解，只有在熟悉工艺流程的基础上才能有针对性的对于所要求的控制目标设计有效的控制系统。一般高校都会安排学生在大三学年修读过程控制这门专业课程，是希望自动化控制专业的学生通过前两年基础知识的积累之后，通过对大型生产实际过程的学习，开阔知识面、提升观察问题、思考问题的高度、增加解决问题的方法手段。最终成长具备过程控制技术方面的专业基础知识，掌握生产过程自动化系统的操作、运行、维护、调试、技术改造的基本方法和基本技能，能在化工、石化、电力、医药、轻工生产等行业从事工业生产过程检测和自动控制系统性能分析、设计、安装、调试和维护的高级应用型专业人才。

1 高校过程控制实验目前存在的困难

由于过程控制课程的实践性要求，所以实验教学是这门课的重要环节，通过实验操作可以使学生更好的理解理论知识，同时又可以提早了解生产实践的相关内容。目前，国内很多高校都是采用半实物仿真的过程控制实验设备，这些实验设备价格都比较昂贵，一般的高校都很难通过大规模采购以满足专业学生的实验教学需求，致使许多高校在《过程控制》课程教学中均存在理论与实际联系不够密切、教学不够直观等客观问题。即便是高校花费大量经费采购部分过程控制的物理实验设备，在教学过程中仍发现许多问题，比如：

（1）设备体积过于庞大，正常的实验室房间里仅能容纳很少数量的仪器设备，无法满足班级学生以个人为主体的实验教学活动，实验教学活动仅能以分组形式开展，易造成部分学生参与性下降。

（2）因设备采购、维修费用均比较昂贵，所以高校仅有的几台物理实验设备经过多届学生频繁使用、错误操作后，老化严重，又无法及时更新换代，造成实验课堂教学效果较差。

（3）因工程实现、设备工艺等原因，目前市面上的仅有的几家公司所生产的物理实验设备均存在较大实验误差，影响教学效果。

（4）部分物理设备需要使用强电，造成学生在实验过程中存在较大安全隐患，而教师也会分心于安全性方面，影响课题教学。

2 过程控制虚拟实验平台应用研究

2.1 开展的必要性

针对《过程控制》课程实验教学环节的重要性，以及目前课程教学中存在理论与实际联系不够密切、教学不够直观等问题，自然可以联想到，虚拟现实技术是解决课程理论与实践间联系的重要手段，也是掌握过程系统分析与设计精髓的重要途径。鉴于此，本文通过在基于J2EE架构的B/S结构系统的过程控制虚拟实验实训平台开展实验教学，以满足教师的教学要求和学生的学习要求，并对其应用方法以及效果进行研究、总结。

2.2 基于J2EE架构的B/S结构系统的虚拟实验实训平台介绍

目前全国各大高校都已逐渐认识到建立在线开发虚拟实验平台对于提高实验教学质量是十分重要的，本文所讨论的在教学过程中所采用的虚拟实验实训平台是开放式虚拟仿真实验教学的管理和共享平台，这个平台共涉及学生、教师、教务员、实验管理员、校领导、系统管理员等角色，而学生作为实验主体可以随时随地通过互联网登录，打破以往的实验场所的局限性，对于学校、教师、学生来说都提供了极大的便利行。另外虽然是虚拟的，但是通过三维动画可以呈现给学生近乎逼真的视觉体验、提供与真实实验非常相似的试验环境。为了实现虚拟实验的闭环处理，虚拟实验平台在每个实验的操作过程中均提供多个教学模块环节，如：实验签到、实验安排计划查询、提交实验原始数据与实验报告、实验结果批阅、实验成绩自动统计以及实验答疑等环节，通过教师与学生在多模块环节的交流互动，可以约束实验行为更严谨并从一定程度上可确保达成既定实验效果。

实验签到：在线签到计时系统，每次实验顺利完成全部环节才成功签到，并统计每次在线学习时间进行后台数据分析；

实验安排计划查询：教师可以提前在网站上公布课程教学实验安排，学生可以登录查询；

提交实验原始数据与实验报告：学生完成实验后可以点击提交本次试验数据，并以word等形式上传具体实验报告；

实验结果批阅：教师登录系统，批改学生的每次实验成果，并给出成绩；

实验成绩自动统计：为教师、教务員提供实验成绩自动分析统计功能；endprint

實验答疑：学生与任课教师的实时互动平台。

2.3 串级与单回路控制对比仿真实验实例

串级与单回路控制对比仿真的实验中，需要学生在实验平台上试图通过对比分析有扰动和无扰动情况下，单回路与串级控制的时域响应图像，来掌握串级控制的结构和特点。

在实验过程中，学生可以直观看到在单回路控制系统中，系统只有一个控制器和一支反馈回路，而串级控制系统中，系统由两个（或多个）控制器串联组成，有两条（或多条）反馈回路。这样的结构使得系统的各个生产过程都得到控制，使系统表现更出色。实际平台设计被控对象为某隧道窑炉系统，其烧成带温度为系统输入，通过分别搭建单、双回路控制系统仿真方框图，把连续阶跃信号源模块、减模块、比例积分微分控制器等模块、传递函数模块以及多端口示波器模块按方框图进行连接，再设置模块参数，点击允许按钮，观察运行结果输出。根据仿真结果，可以基本看出系统的调节时间提高了3倍，对二次扰动的最大动态偏差减小了约20倍，对一次扰动的最大动态偏差减小了约2.6倍。系统的动态性能明显改善。

3 效果评价

将虚拟实验带入课堂，通过理论与实践结合，先学习理论框架，然后进行实践教学，通过读工程图纸、达到识别系统方案的目的，然后以实际的系统装置为样本，绘制系统的工程图，进一步理解控制系统结构原理和工程表达，然后对系统进行连线完成方案的实现、参数设置、投运等学习活动，培养了学生工程能力和创新创业能力，形成了一套独特的教学模式，从根本上改变了以往学生对“过程控制”课程的认识，帮助学生深刻理解了自动化专业的课程体系。在《过程控制》课程学习过程中实现了三大突破。

（1）摆脱原有实验环节受限的不利教学局面，将课堂理论讲授与虚拟实验操作平台有机结合，并因为是开放式共享平台，学生可以在一定程度上自由安排实验时间，较为灵活机动。而且在实验平台上设置多个师生互动的环节，可以改变教师很少参与实验环节的指导而只是单一的理论知识讲授的现象，并最终通过教师线上批改实验报告实验全过程闭环。

（2）注重实验环节的设计，注重学生参与探索与归纳的过程，让学生自主探索知识的认识规律，从简入难、从单一性到综合性实验的顺利过渡，提升了学生的学习兴趣，也在很大程度上提高了学生参与大学生创新项目与学科竞赛的信心，对于学生的未来发展提供助力。

（3）学生通过该方面的强化训练，可以解决复杂工程控制项目的分析、设计、实现、投运问题，学习创新创业能力明显提高，既提高了学生的学习兴趣，又从根本上转变学生只重视理论教学的思想，按此模式培养的毕业学生自主创业非常容易，也受到用人单位的欢迎。

可以说，开放式虚拟仿真实验教学的管理和共享平台面向虚拟仿真实验教学，全面实施实验教学的信息化和现代化，提高实验管理水平。

参考文献

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作者单位

淮阴师范学院物理与电子电气工程学院 江苏省淮安市 223300endprint