过程控制工程结合虚拟实验教学改革与探究

陈磊，任银娥，张红欣

（1.新疆大学 化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.昌吉学院 物理系，新疆 昌吉 831100）

2018 年教育部批复的首批105 项国家虚拟仿真实验教学项目中涵盖了化工与制药、机械类等7 个大类，可见虚拟仿真实验教学是解决现阶段高等教育过程中面对设备较为复杂、教学内容抽象难懂、过程系统庞大、工程应用性较强的课程困境最有效的手段.随着软件集成平台多样化，国内各大高校教学工作者利用计算机网路技术开发的虚拟控制实验在教学实践中获得了较好的教学效果和反响.如天津大学范江洋[1]等针对化工过程控制课程，教师授课时采用组态虚拟控制仪表演示某生产线控制参数调节时各化工设备参数变化及设备物理性变化的范例，将多维互动学习过程延伸至课堂之外，提高了学生上课目标专注程度和课程兴趣.天津科技大学王红星[2]在教学过程中针对精馏塔的教学，多乙苯精馏塔的控制运用图形化编程软件进行了方案设计，并通过实时改变各变量参数的给定值使学生能观察到高压塔设备蒸汽流量变化，各层塔压变化规律.福州大学史晓东[3]等针对过程控制课程中引入可参数化改变系统进给量，动态演示了锅炉点火过程中锅炉内部温度、压力、能量转化、气体结构变化，将工业生产实际操作过程进行了如实反映.石河子大学张岩文[4]采用Matlab/GUI 图形化编程，利用动态仿真讲解原子物理学中的原子受力分析等内容，教改结果表明，虚拟控制实验有利于学生观察和分析各参数对实验的影响，能使教学更生动、高效，提高了学生的学习兴趣，也为相关课件的设计提供了新途径.

本文通过近年的教学经验以及结合虚拟实验对课程改革的理解，将虚拟实验与课堂理论教学进行耦合，重点培养学生的创新能力和科学素养.采用虚拟实验教学不仅能打破实验室空间有限、实验装备昂贵、实操不确定性因素等限制，可将以往的静态式展示教学向动态直观式观察进行转变，同时可增加课程中控制系统的种类与数量，深化学生对控制系统的了解与认识，更能逐步加强学生对工业控制系统的直观感受.

1 现阶段教学中存在的问题

采用罗健旭等主编的《过程控制工程》[5]（4 版）为教材，共9 个章节.前4 章主要包含基于化工生产背景涉及的基础数学建模、控制装置基本构造及原理、单/串级PID 控制系统机理等内容.后5 章在介绍先进控制系统的基础上重点描述了预测控制、解耦控制、时滞补偿控制等系统.并在最后章节中讲解了流体运输设备、传热设备、精馏塔控制、化学过程控制的控制原理.

1.1 课堂教学易造成理论与实践脱节

过程控制工程作为专业核心课程，集合了微积分方程推演、数学建模理论、执行器工作原理、自动控制原理等知识点.知识结构由易渐难，布局由单一转变成系统型，因此单纯地利用课堂理论教学，而不进行实践操作易造成学生对知识点如何转化为实际运作产生疑惑.尤其是课程后半部分涉及的预测控制、解耦控制、时滞补偿控制等操作更需要实践操作才能消化课堂教学内容.实验室设备虽能完成部分课程所需的实验，但对于更为复杂的控制系统目前尚未开发完全，故针对复杂的控制系统暂时停留在课堂教学阶段，造成部分学生由于思考能力有限而不能完全理解知识点和控制原理，导致学生在学习过程中发生知识理论与实践脱节的窘境.

1.2 实验操作效果不理想

根据教学大纲安排，课程涉及5 个实验内容——单容水箱液位平衡控制系统设计、双容水箱液位平衡控制系统设计、双容水箱前馈控制的投放与整定、小型换热器换热性能检测实验、基于总线仪表的比值控制系统的投放和整定.根据教学大纲制定5 个实验课程，从2017—2019 年统计的学生进行实验实操的数据显示，历年参与该课程实验操作的学生人数为60 人，93.3%以上的学生可在当节课堂操作过程中完成第1～2个实验；85%的学生可在当节课堂完成第3 个实验；71.7%的学生可在当节课堂完成第4 个实验；58.3%的学生可在当节课堂完成第5 个实验.每个实验的实验操作内容在实验开展的前3 天通过学习委员下发给班级学生，并在实验课开始时抽查学生关于当堂实验课所涉及的知识点.由于实验课当堂操作不理想，学生只能后补实验完成实验报告的撰写.这种情况不仅造成学生无法系统地了解实验操作，也不能较快地将课堂理论知识转化为实践操作，同时提高了实验室的各项投入.

1.3 实验内容无法满足学生知识面发展的要求

与课程配套的5 个实验仅能帮助学生巩固课堂理论知识，在近一步提高学生对复杂控制系统的兴趣、拓宽视野方面还存在一段差距.当前开发的实验只能让学生对控制系统有入门式的理解和操作，而更为复杂的多级控制系统、智能控制系统、多参数自适应调节系统只能借助书本进行空洞的描述，缺乏理论与实验的双重验证环节，无法做到理论教学与实验实践相辅相成的教学局面.

2 教学改革具体措施和方案

建设虚拟控制实验采用高级计算机程序语言与工业化标准组态进行耦合实现物理设备虚拟化显示，标准组态软件可完成设备控制系统中各类显示仪表及控制设备的图形设计，图形化显示有助于分析过程控制系统单/多参数变化时系统各设备的运行状态[5].将设计好的虚拟实验带入课堂，课堂教学中在线参数实时调节可使学生直观感受本章节中控制系统的设备构成、仪表分布、物料流向结构、能量传递过程、全系统运行状态的知识要点，同时为了解下一衔接课程形成了知识储备.对于配套的实验，可提前将虚拟实验平台软件下发给学生，学生可根据实验指导手册进行预操作（熟悉界面、参数设置原理、操作流程、结果查询、参数报表等），对实验课程有充分的了解和熟悉.

2.1 虚拟控制实验工作原理

虚拟控制平台图形设计采用北京亚控科技发展有限公司开发的标准组态王软件，程序设计采用Matlab/Simulink 工具箱完成程序控制参数的搭建，组态软件与Simulink 之间采用基于Windows 应用的OPC（OLE for Process Control）通讯技术完成控制界面与算法之间的数据交互[6].

组态王软件主监控界面主要由参数设置界面、数据曲线显示界面、历史数据查询画面、历史曲线查询画面、实时数据显示界面、报表生成功能组成.结合组态王软件的现有图形功能和强大的绘图工具箱，可将需要设计的控制系统的设备布局结构和设备形态进行创建，并结合I/O 配置、动画动态连接、创建数据库等功能完成系统的运行与调试.

图形界面与Simulink 通过OPC 技术连接后，可在设计好的界面中输入设定参数，此时Matlab 与组态软件建立通信的主要步骤为：（1）虚拟系统自动创建OPC 数据并访问客户端对象；（2）在OPC 客户端对象添加组对象；（3）在OPC 客户端对象添加项对象；（4）对组态王的变量进行读或写判断；（5）Simulink中数据通过OPC 与组态软件形成数量连接；（6）完成数据交互后OPC 连接结束.

2.2 教学与实验模式改革及实现

将虚拟控制实验与课堂教学紧密结合，在课堂教学中采用直观的参数修改后形成的动画演示加深学生对课堂内容所涉及的过程控制理论有更深入的理解，根据课程进度演示学生自行设计的虚拟实验方案，提高学生的参与积极性，点燃学生的兴趣点.在通知实验任务后，由实验教师介绍虚拟控制实验的基本设备、控制原理、预期效果、相关理论，学生在此基础上根据实验指导手册和指导文献进行实验预习，鼓励学生在原有控制实验的基础上进行创新设计，实验教师在学生进行二次创新的基础上进行答疑指导、难点讲解、提供文献资料、开发实验设备.引导学生以发现问题、驱动解决问题的思考理念进行自主实验自查，并尝试自主解决.学生经过虚拟实验后，将虚拟操作遇到的问题带入实验环节，有助于学生更有针对性地进行实验实操，有助于培养学生寻找问题、分析问题、寻找相关理论、实践实验、结果评估、实验总结的良性螺旋式循环的科研习惯，为学校科研型人才提供力量储备[7].

2.3 形成定期评价与反馈机制

课程利用虚拟实验进行课堂教学和实验指导探索新型式的教学过程中，针对教学效果采用完成1 个章节和1 个实操实验后，与学生进行沟通，改进虚拟实验的授课机制，从课堂气氛，虚拟实验内容是否详细，虚拟实验安排是否合理，虚拟实验程序是否存在不足，哪些知识点需要借助虚拟实验进行讲解，复杂虚拟实验控制策略提升，实验指导书需要改进之处，布置的相关提升类题目是否难度适中等不同层面进行沟通.同时也鼓励学生利用课间和预习操作实验之际与课题组进行沟通，不断完善虚拟控制实验平台的教学素材、实验预习操作系统、控制策略参数优化等研究工作.

2.4 激发学生拓展虚拟仿真实验项目

开展虚拟控制实验教学改革，在有效提高学生对化工控制系统的深入了解，提高教学质量的基础上，在制作虚拟控制实验过程中，吸引一部分有能力、有精力的学生到制作团队中，将开发虚拟控制实验制作过程开源化，将对化工领域自动控制技术感兴趣的学生引入到开放式实验室中.通过对虚拟实验涉及的软件进行基础培训或手把手教学，提高学生自动控制技术开发工具和基本控制程序编写的能力.一方面可为学生进行毕业设计选题提供新的选择方向[8-9]；另一方面为学生后期开发智能型、高端化、工业化控制系统用于参加“大学生挑战杯”“创新创业大赛”“大学生程序设计大学”等课外比赛提供平台.以学生为视角进行开发的二次虚拟控制实验更符合学生的学习兴趣和接纳度，将学生引入制作团队的过程拓宽了学生学习的知识面，并提高了学生的科研兴趣[10].

3 结语

面对过程控制工程课程中专业背景和研究对象多为反应器、反应釜、换热器、蒸发器、锅炉等具有高压、高热、高能量，部分物理设备需要使用强电的设备与仪表，采用计算机虚拟设备过程控制系统有效弥补了物理设备不能着实反应控制系统各项性能指标的短板.将Matlab/Simulink 软件作为过程控制程序编程工具与组态软件工业化设备模块状态化显示进行有机耦合，运用多媒体技术，动画动静结合操作、图片以及音频等形式，将抽象化的问题转变为具体知识，可实现在无物理设备的基础上，通过图形化虚拟控制过程动态显示，直观反应过程控制系统各参数修改过程中虚拟设备的运行状况.有效将工业实体过程控制如实呈现在虚拟控制平台中，将实验室实际操控、工业自动化生产过程“搬迁”至课堂教学，帮助学生树立工程实践观念，提高学生对知识的实践应用能力，提升了过程控制工程的课堂教学质量.