基于虚拟仿真的过程控制实验的开发和设计

韩蕾，田静，王霞，孟丽

（1.河北大学工商学院，河北保定，071000，2.河北大学电信学院，河北保定，071000）

0 引言

过程控制系统是自动化、电气工程与自动化专业一门学科交叉、工程性强的核心课程，为培养学生的工程概念和能力创造实验和设计条件[1]。过程控制实验是一门综合设计性实验，通过该实验，学生可以认识传感器并理解数据采集模块的工作原理，掌握系统的工作过程，提高解决工程实际问题的能力[2-3]。我院过程控制实验课程经过多年的建设，积累了客观的教学资源和教学经验。目前来看，在以下两个方面存在不足：（1）实验项目单一：实验教学均采用实物水箱来进行，其缺点一方面实物水箱体积庞大，占据大量实验空间，另一方面，难以调整水箱结构以搭建具有不同特性的多容过程。（2）实验设备少：实验室现有过程控制实验装置4 台，致使做同一实验也需要分成多批次才能完成，且多人一组；单个实验用时长。这些因素导致了实验资源相对于课程内容短缺，难以满足教与学的需求。

随着信息技术和计算机技术的迅速发展，虚拟仿真技术不断被应用到实验教学活动中，开辟了一种崭新的实践教学方式[4]。虚拟仿真控制平台使学习者在没有控制装置的情况下，行进预习、验证和应用，通过仿真操作和设计，在观察现象、分析系统响应的过程中强化对控制理论的理解，提高学习者的积极性和主动性[5]。因此，基于虚拟仿真软件下开发一套性能优越、功能完善的过程控制实验系统对提高过程控制教学质量和培养学生工程实践能力具有重要意义。

1 仿真实验系统

■1.1 仿真软件简介

本文基于“三级液位仿真系统”软件进行的实验项目的开发。“三级液位仿真系统”软件是北京德普罗尔科技有限公司开发的一套仿真系统，它采用构架式软件设计，应用模块式组件开发，搭建了一个先进、灵活的软件系统。用户可以对控制策略、设备尺寸、阀门属性等进行自定义设计，能够充分满足过程控制专业基础教学、课程设计的验证要求，支持学生进行控制逻辑设计验证和PID 参数整定等实训，经智能评分系统根据评分规则客观给出成绩，从而验证控制策略的合理性和评估控制效果[6]。

根据我院教学大纲安排，实验课程18 学时，因此设计并开发六个实验项目，分别是：自衡单容水箱液位过程测试建模实验、单容水箱液位二位控制实验、单容水箱液位PID控制实验、双容水箱液位PID 控制实验、双容水箱液位串级控制实验和双容水箱液位-流量串级控制实验。每个实验包括探究内容和考核内容，探究内容为控制逻辑设计、控制策略的建构、知识点的验证，考核内容为学生按照实验要求完成项目，教师设定智能评分系统，根据评分规则客观给出实验数据和结果的成绩，从而验证控制策略的合理性和评估控制效果。

■1.2 实验平台搭建

三级液位工程对象如图1 所示，一级液位为卧式水箱，二级、三级液位为立式水箱。对水箱系统的半径、长度、初始液位、初始压力和离地高度等参数进行设置。

图1 工程对象流程图

2 基于学号的仿真实验内容

以“单容水箱液位二位控制实验”为例，说明实验项目的开发过程。本实验选用2#储罐V102、进水阀门FV102和出水阀门FV108 构造单容水箱液位控制系统。该实验的目的是理解二位控制的基本原理和控制特性，通过实验掌握并分析影响控制性能的参数。

■2.1 内控组态设计

内控组态的作用是搭建被控对象的控制回路。根据工艺流程和控制系统原理选择被控对象、控制器和执行器。根据控制系统框图，设计内部控制器组态。使用“信号源”采集仪表检测数据，利用“非线性环节”实现滞环二位控制律，通过“信号输出”将控制量送给对应的阀门。设计好的内控组态如图2 所示。

图2 内控组态设计

■2.2 趋势曲线设计

趋势曲线在仿真系统运行时记录实时数据，以运行时间为X 轴绘出曲线，单位为秒,趋势画面中所有的曲线共享同一时间轴。趋势画面中的Y 轴为数据轴。根据实验内容配置水箱液位LI102 和阀门FV102 开度。

■2.3 基于学号的实验项目的设计

为了避免实验雷同，制定了基于学号的个性化实验项目设计，让每位同学的实验内容既有共性，又有个性。二位控制是比较简单的算法，在学生理解算法的基础上，找出影响控制效果的多种因素，并加以分析是非常有必要的。因此依据学号的尾号，本实验制定了以下项目。

（1）改变回差，观察回差对控制效果的影响（各学号均必做）。

（2）改变二位控制率输出u 的属性参数M，观察M 对控制效果的影响（学号尾数1 和6 必做）。

（3）改变进水阀流量特性，观察它对控制效果的影响（学号尾号2 和7 必做）。

（4）改变出水阀开度，观察开度对控制效果的影响（学号尾号3 和8 必做）。

（5）改变水箱半径，观察水箱容量对控制效果的影响（学号尾号4 和9 必做）。

（6）改变进水阀流通能力，观察它对控制效果的影响（学号尾号5 和0 必做）。

3 自主评分逻辑系统的设计

■3.1 二位控制实验的考核内容要求

自行调整控制器及对象参数，液位要求控制在10（%），调节时间不多于120s，动态最大负向偏差不超过5（%），稳态后误差不超过2（%）。

■3.2 评分系统配置

依据系统要求在评分系统中配置了控制回路的要求和稳定性要求，如图3 所示。考核时间为40 分钟，调节时间占20 分，动态偏差占20 分，稳定后误差为30 分，超出则扣分。根据评分配置，学生在做完实验后，系统根据趋势曲线以及操作步骤进行评分。

图3 控制回路评分配置图

4 实验效果分析

通过仿真软件进行实验，学生根据学号按照要求完成实验内容，图4 为学生操作过程中趋势曲线图，图5 为根据评分系统自动得分截图。

图4 趋势曲线图

5 结语

虚拟仿真技术与教育教学的融合，使得传统教学在教学体制、教学理念和教学方法等方面获得了更广阔的改革路径。本文通过使用“三级液位软件”，详细描述了“单容水箱液位二位控制实验”的开发和设计过程，实验不仅仿真了液位在二位控制下的变化，通过评分配置还对曲线进行了评估，仿真结果与理论贴合度较高。在此基础上可以进一步进行过程控制实验的开发和设计。

图5 系统评分截图