高级过程控制课程案例教学实践研究

魏秋月 刘 颖 沈建冬

西安邮电大学自动化学院 陕西西安 710121

随着我国经济社会的发展，以及硕士研究生教育结构向以培养应用型人才为主转变的战略性调整政策的进一步实施，对应用型、高层次专门人才的需求，在规模和质量方面，都有更大的需求和更迫切的愿望。高级过程控制课程是西安邮电大学及许多省属高校控制工程专业学位硕士普遍开设的一门实践课程，具有较强的工程应用性。因此，如何采用更有效的教学方法，提升本实验课程的教学效果，对培养学生工程实践能力具有重要的现实意义。

1 教学现状分析和采用工程案例教学的必要性

我校控制工程专业学位硕士培养方案中该课程的目标是：通过该课程的学习，使学生深入理解工业高级过程控制的系统概念，掌握工业过程控制中几个成熟且行之有效的高级控制算法的程序设计、参数整定与调试方法，同时掌握相应控制器以及仪表的选型原则和使用方法。

可编程控制器(PLC)以其高可靠性、维护方便的特点，在许多工业控制领域被广泛应用。因此，本课程主要以PLC为控制核心，而且学生对PLC的原理、结构和初级编程在本科阶段已有所学习，比较适合构建高级过程控制系统。由于本科的学习普遍和实际工程的结合甚少，且研究生的课时又不多，所以此课程一直以来都是采用单元化、模块化的教学方法，针对重要的知识点设置内容。这种方法能够覆盖必要的知识点，但系统性和整体性欠佳，对学生工程实践能力的培养作用有限。因此，有必要探索高级过程控制的案例教学，将案例介绍和分析过程流程化与规范化，为学生提供更多的标准化典型案例，使学生在不断更新的、接近工程实践的教学环境中学习高级过程控制相关技术，更快地接受相关理论知识，提升工程实践能力。

2 案例选取的一般原则

2.1 真实性原则[1]

目前，控制工程专业硕士生大都是“从学校到学校”的应届生，缺乏一定的生产实践经验，真实的工程案例可以很大程度上激发学生强烈的探究兴趣，增强专业知识学习的积极性，更有信心地完成各项实验任务。只有在真实的案例中才能激发学生的学习兴趣，提升学生的工程实践能力[2]。

2.2 典型性原则

案例很多，但由于课时限制，无法一一呈现，因此需要筛选那些知识点比较全面且具有典型性和代表性的案例，这样才能在学习过程中由解决一个问题推到解决一类问题。

2.3 难易适度原则[3]

案例的选择应考虑到学生的知识基础，包含的知识点不能过于复杂，涉及的其他学科知识不能太多。否则，会使学生觉得问题成堆甚至产生畏难情绪，导致分析、讨论难以有效进行。

2.4 系统性原则[4]

基于模块化的教学方法，只能够覆盖必要的知识点，很难达到综合性的教学要求，这就需要教师对案例进行整合，使案例内容系统完整地反映教学内容。

基于以上原则，我们从近年来的教师科研项目和教学实践中筛选出8个典型工程案例，用于高级过程控制课程的案例教学。

3 教学案例的设计与实施

案例筛选之后，需要精心设计每个案例。案例教学不是简单的例子教学。案例教学最重要的环节是教学过程的合理设计。通过分析教学目标，设计科学的思考问题，提供启发性的分析路径解决问题或得出合理的答案，最终使案例教学得以有效实施。

高级过程控制课程设计了“竖直双容水箱对象特性测试(实物)”“双容竖直水箱液位调节阀PID控制(实物)”“锅炉汽包水位单冲量控制(锅炉为仿真锅炉，下同)”“锅炉汽包水位前馈—反馈双冲量控制”“锅炉燃料—风量比值控制”“电阻炉温度控制系统控制器算法研究(仿真)”“电阻炉温度控制系统控制器算法研究(实物)” “精炼炉底吹氩模糊控制系统(实物)”等8个教学案例。下面以3个具体实例说明案例教学在该课程中的设计和实施。所有案例在实施的前一周，教师将案例下发每个学生，学生仔细阅读案例，查阅资料，初步形成关于案例中的问题的原因分析和解决方案。

案例一：双容竖直水箱液位调节阀PID控制。该案例是利用现有教学材料自制的实验系统。本系统由中水箱、下水箱和储水箱组成。储水箱中的水由微型增压泵加压后，经电动调节阀进入中水箱，再依次进入下水箱和储水箱形成水循环。中水箱和下水箱之间的管道、下水箱和储水箱之间的管道分别安装有手阀。负载的大小通过调节手阀的开度模拟。以西门子S7-1200系列PLC(CPU 1214C)为控制器，采用PID调节，控制下水箱液位使之稳定在设定值，稳态误差＜5%。为了帮助学生快速理解实物系统，双容竖直水箱液位的组态画面事先已由教师完成。

本案例按照信息的采集、转换以及控制输出设计教学问题，让学生对控制系统中信息的来源、处理以及控制决策有一个系统的认识和理解。

信息采集设置1个思考题：请选择合适的检测仪表，测量水箱液位。该问题培养学生综合运用学过的变送器知识，针对具体的被控对象选择合适的功能、量程以及精度的液位变送器。案例实施的时候，学生首先进行分组讨论，讨论采用什么原理进行液位的测量、量程和精度如何选择、选择接触式还是非接触式等问题。讨论后每组学生给出一个方案并进行讲解。教师对学生提出的方案进行分析，得出最优的方案。学生通过分组讨论、方案设计加深了对液位信号检测方法的深入理解，通过教师分析，学生的理解会更加深刻。

信息转换设置2个思考题。思考题1：I/V转换问题。液位变送器的输出为4～20 mA的电流，而CPU1214C的模拟输入为 0～10 V的电压信号，如何将电流转换为电压以满足CPU对输入信号的要求？在案例实施的时候，学生需讨论的内容包括采用什么原理进行转换、自行搭建转换电路还是选择I/V转换隔离模块等。讨论后教师对学生的方案分析优缺点，得出适用于工业过程控制的最优方案。学生通过分组讨论、方案设计以及教师分析，对I/V转换的必要性和方法都有了深入的理解。思考题2：工程量转换问题。液位信号在CPU中以无量纲的数字量存储，那么该信号如何以工程量(本案例的工程量范围为0～100.0)在组态画面中显示呢？通过该问题的讨论以及数学推导，学生不但深入理解了工程量转换的意义，明确了其与仪表量程、量程是否为线性以及A/D转换后的数字量有关，也掌握了不同信号的工程量转换公式的推导方法。

控制输出设置1个思考题：PID(Proportion Integral Differential )算法的选择与参数整定问题。PID是应用最为广泛的一种过程参数控制算法，具有结构灵活，参数整定方便的特点。PID算法是按照设定值与转换后的工程量的偏差的比例、积分和微分进行运算，得到的结果用于控制调节阀的开度。实施时，学生首先讨论选用哪种结构、形式的PID算法以及原因，讨论PID参数的整定方法以及使用条件，教师应鼓励学生尝试不同的工程整定法整定参数。反复整定参数，直到满足控制指标为止。

此案例的难点是工程量转换和PID算法的参数整定问题。由于大多数学生本科阶段对工程量转换还只是概念上的认识，案例讨论时常常找不准对应关系导致推导出错。PID参数的整定需要在熟悉比例、积分、微分作用的基础上反复耐心地进行，且学生普遍缺少工程经验使得最佳参数的获得需要更长的时间。

案例二：锅炉汽包水位单冲量控制。汽包水位是锅炉运行的重要指标，汽水分离是汽包的重要作用之一。保证水位在一定范围内，是保证锅炉安全运行的首要条件。水位的过高、过低都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利的影响。该案例以西门子S7-400 PLC为控制器，在了解工业锅炉汽包水位基础上，确定仿真锅炉的汽包水位单冲量控制系统实施方案，整定控制系统参数，分析控制效果。该案例从分析影响汽包水位的主要因素入手设置以下思考题。思考题1：分析影响汽包水位的主要因素。该问题需要分析3个主要因素对水位干扰的动态特性，了解出现“虚假水位”的原因。思考题2：在PCS7中构建仿真锅炉汽包水位单冲量控制系统。单冲量即单回路。其中给水流量为操纵变量、汽包水位为被控变量，主要干扰为蒸汽流量，并使用SFC和CFC编写程序。思考题3：整定汽包水位单冲量控制器PID参数，测试、分析控制效果以及单冲量控制系统的不足。

该案例在实施的时候，每组学生首先对思考题进行讨论，给出一个方案并进行讲解。教师对学生提出的方案进行分析、修正，最后学生以组为单位整定控制系统参数，测试控制效果，并分析单冲量控制系统的不足，为案例三的学习奠定基础。

案例三：针对案例二中汽包水位单冲量控制系统的不足，构建前馈—反馈控制系统。单冲量控制系统虽能够克服多种扰动，但不能克服由主要扰动蒸汽负荷变化所引起的虚假水位。通过分析此不足，教师首先引导学生依据主要扰动—蒸汽流量的变化构建前馈控制，控制给水阀，调节给水量。由此设置3个思考题。思考题1：分析前馈控制的特点。思考题2：前馈控制中为什么扰动必须可测？思考题3：为什么静态前馈是当前应用最多、实施最方便的前馈控制？其控制器是PID控制中的哪种结构形式？因为之前查阅了相关资料，学生通过分组讨论很快对3个问题有了明确的认识。在分析前馈控制的特点时，学生们已经认识到，蒸汽流量前馈控制能够提前发现蒸汽负荷的变化，纠正虚假水位引起的误动作，但对于克服其他干扰却无能为力，而反馈回路能够抑制其他干扰。由此，教师引出思考题4和5引导学生构建汽包水位前馈—反馈控制系统。思考题4：分析、构建前馈—反馈控制系统。有案例二做基础，学生很容易理解锅炉汽包水位前馈—反馈控制的必要性，也不难画出汽包水位前馈—反馈控制的控制框图。反馈回路中被控变量为汽包水位信号，该信号由系统输出端返回输入端，与汽包水位设定值比较后的偏差作为反馈控制器的输入。蒸汽流量为前馈控制器的输入，前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相加后作用于给水调节阀。思考题5：前馈—反馈控制系统的参数整定及控制效果测试。这一步需要对前馈控制器和反馈控制器的参数分别整定。前馈控制器的参数即比例系数，工程实际中一般采用开环整定和闭环整定2种方法，应鼓励不同组的学生尝试不同的方法。反馈控制器的参数在案例二中已经整定。

案例二和案例三都在PCS7编程环境中实施。由于课时有限，重点可以放在汽包水位控制系统单冲量、前馈—反馈双冲量控制规律的实现和参数整定上，仪表的选型以及上位机画面组态可以不做要求，由教师提供。

4 结语

通过实施高级过程控制课程的案例教学，我校控制工程专业的研究生在近似真实的学习模式下，深刻地体验到理论知识应用于生产实践的过程，激发了学生思考问题的积极性，工程实践能力得到了切实的提升，知识的系统性也得到了加强。案例的实践是一个不断探索的过程，教师要结合案例教学过程中发现的问题，不断完善和更新案例，除了自制实验设备，应尽可能利用好校企平台，力求开发出优质的教学案例，同时提升自己开展案例教学的能力，让控制工程专业研究生的工程实践能力和创新能力得到更加有效的培养。