研究生課程“控制系統仿真”的教學改革

王書斌,左 信,羅雄麟,許 鋒

(中國石油大學(北京)自動化系,北京 102249)

0 引言

“控制系統仿真”是自動化類、機電類、電氣信息類專業以及其它相關專業的一門重要專業課程[1]。開設該課程的目的可以培養研究生運用所學的控制理論解決問題的實踐能力,并可以讓研究生能夠更快地開展學位論文工作。但我校“控制系統仿真”目前主要存在如下問題:①忽視實驗教學環節,導致理論與實踐脫節;②自動化系研究生的學位論文主要涉及過程控制和流程模擬與優化、電力系統控制、先進控制理論的研究等,涉及的軟件有gPROMS、UniSim、ETAP、Matlab等,而在“控制系統仿真”課程中只涉及了Matlab,造成寫論文前需要重新學習這些軟件,沒有起到承上啟下的作用;③講課的內容與本科生課程“控制系統仿真”重復過多。鑒于以上幾種情況,我們對該研究生課程進行了改革。

1 課程主線的制定

“控制系統仿真”課程的教學主線包括:流程模擬與優化仿真、先進控制系統仿真、電力系統仿真及應用的仿真工具(Matlab、gPROMS、UniSim、ETAP等)。

Matlab軟件包括 Matlab和Simulink兩大部分。gPROMS流程模擬軟件是PSE公司開發的通用工藝過程模擬系統,為當今世界上先進的工藝過程建模、模擬和優化軟件包。gPROMS適用于加工業,用來建立連續或間歇工藝過程的模型,進而對工藝過程進行模擬和優化。UniSim是Honeywell公司將原有的動態仿真系統Shadow Plant,OTISS與H YSYS整合后,形成了集流程設計、靜態模擬、動態仿真和過程優化于一體的綜合軟件。ETAP軟件是美國Operation Technology,Inc.公司開發的一種電力系統仿真分析軟件,具有虛擬現實操作、數據的全面集成和簡明數據錄入等特點。

課程包括實驗和課堂授課兩種方式,在課時安排上加大了實驗課課時,可以提高學生解決問題的能力。在課堂授課中采取理論講解和仿真演示并用,可以增加學生的學習興趣。

2 仿真理論和仿真工具

仿真理論部分內容包括:控制系統仿真中易遇到的問題、流程模擬與優化仿真、預測控制系統仿真、模糊預測控制仿真和電力系統仿真等。控制系統仿真的問題主要介紹在一般控制系統仿真過程中的難點、當仿真失真時需要調節哪些參數等;流程模擬與優化仿真主要講述對于復雜的過程如何實現仿真,仿真過程會遇到哪些問題等;預測控制系統仿真主要從仿真角度出發講述對于復雜的被控對象有哪些預測控制算法、如何選擇與實現預測控制算法和在仿真過程中需要設計哪些參數等;模糊預測控制仿真主要講述模糊控制主要有哪些、如何選擇和實現仿真和仿真時需要注意哪些問題等;電力系統仿真主要講述電力系統的組成和如何實現電力系統的仿真等。

仿真工具部分教學內容如下:Matlab及Simulink交互式仿真環境、電力系統仿真軟件ETAP軟件應用、動態流程模擬軟件gPROMS應用及流程模擬軟件UniSim應用。該部分的只是讓學生初步了解仿真軟件,在做學位論文時還需深入的了解所用到的相關軟件。

3 實踐環節

研究生的實驗課中,綜合設計性的內容占本課程的90%以上。我們利用購買的Matlab和ETAP正版軟件,安排了如下綜合設計性的實驗課:①連續全返混式反應釜(CST R)非線性控制系統仿真試驗;②CSTR控制系統的預測控制仿真實驗;③CSTR控制系統的模糊控制仿真實驗;④電力系統仿真試驗及復雜化工過程gPROMS軟件仿真試驗;⑤復雜化工過程UniSim模擬試驗。

綜合性實驗課以化工過程CST R為主線,本課程實驗采用如圖1所示的串級CSTR非線性控制系統。該系統有一個混合了反應物和溶劑的進料流、一個輸出流和一個冷卻水流。

圖1 CST R方框圖

圖中qc為冷卻水流量,q為進料流量,C1,C2出口濃度,,為出口溫度。狀態變量x,系統輸出y和操縱變量u分別定義如下:x=[C1,T1,C2,]T,y=,u=qc,即通過控制冷卻水的流量qc控制反應器的出口溫度T2。

實驗課主要圍繞該系統循序漸進展開,實驗①CST R非線性控制系統仿真試驗主要讓學生了解該系統的特性,為以后的控制實驗打下基礎;實驗②和實驗③主要讓學生把所學的預測控制理論及模糊控制理論應用于CSTR系統;實驗④和實驗⑤主要利用gPROMS和UniSim軟件實現CST R系統的模擬與優化。

本課程總課時共32課時,實驗實踐課從原來的10課時增加到20課時,占總學時的62.5%。為了保證實驗教學質量,我們做到如下要求:①提前兩天將實驗內容布置給學生,要求在實驗前寫預習報告;②保證學生人手一機;③加強考勤,在實驗過程中教師全程答疑輔導;④實驗后通過電子郵件提交電子版實驗報告,教師進行批改和評分。

4 結語

通過課堂和實驗課教學內容和教學方式改革,我們發現學生能夠在理論課上積極思考問題、提出問題和回答問題。在實驗課上能夠獨立完成實驗,并且有一部分學生會提出好幾種仿真方案與教師探討。

我們通過調查發現,研究生學習了“控制系統仿真”課程能使他們順利完成從大學生到研究生的轉變,并迅速進入學位論文的階段,論文水平明顯提高。

[1] 施彥,翁貽方,韓力群.《控制系統計算機仿真》課程教學改革與實踐[J].北京:中國電力教育,2008,112:74-75

[2] 史冬琳,韓莉,馮玉昌.《控制系統CAO及計算機仿真》課程教學改革[J].吉林:東北電力大學學報,2008,28(5):34-37

[3] 梅從立,廖志凌,劉國海.“控制系統計算機仿真”教學改革與實踐[J].南京:電氣電子教學學報,2009,31(6):79-80