仿真技術在熱工控制技術專業教學中的研究與實踐

摘要：介紹了在自動控制原理、分散控制系統（DCS）和過程控制系統等課程中采用仿真技術開展基于行動導向教學的實踐研究成果。在自動控制原理課程中，以MATLAB為仿真工具，開展任務—行動—總結等方式的基于行動導向的教學；在DCS課程教學中，采用虛擬DCS和真實DCS相結合的教學方式，使學生在基于虛擬DCS的仿真教學中得到充分訓練，在真實DCS教學中，達到對硬件系統的直觀認識；在過程控制系統等課程教學中，以基于虛擬DCS的激勵式仿真機為行動工具，開展基于行動導向的教學。

關鍵詞：DCS；過程控制系統；自動控制原理；仿真；行動導向教學

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0053-02

目前，電力類高職高專院校火電廠熱工控制技術專業的主要課程教學中，熱工檢測儀表、自動控制裝置等課程均可基于實際設備教學，設備基本能滿足教學要求。分散控制系統（DCS）課程，部分院校采用純理論教學，部分院校基于實際設備進行實訓教學。但由于DCS設備硬件較貴，各院校一般只能配備1～2套DCS設備，遠遠不能滿足教學要求。自動控制原理、過程控制系統、電廠程控保護系統等課程，由于難以實現真實工廠環境教學，也未找到有效的仿真教學方法，絕大多數院校還采用傳統的理論教學方式。采用純理論教學方式教學，學生感到抽象、難學，大大影響了教學效果。為此，有的院校在自動控制原理、過程控制系統等課程的教學中采用MATLAB軟件作為實驗工具，進行少量實驗教學，但這遠不能滿足課程教學的需要。

自動控制原理、分散控制系統（DCS）、過程控制系統等課程由于硬件條件的限制難以實現真實工廠環境教學，那么能否找到有效的仿真教學方法，采用仿真技術開展基于行動導向的教學呢？保定電力職業技術學院（以下簡稱“我院”）自動化專業教師在這方面做了大量的探索研究工作。

一、基于MATLAB軟件在自動控制原理課程中開展行動導向教學

自動控制原理是一門理論性較強的工程科學，其具有三個特點：概念抽象；與數學聯系緊密；實踐性強。[1]目前大多數院校自動控制原理課程教學仍采用理論教學，伴有少量實驗。由于理論較深，概念過于抽象，致使學生學習起來十分吃力，難以掌握自動控制原理的基本思想和基本方法。

自動控制原理是一門具有較強實踐性的工程科學，若將抽象出來的理論返回到實踐中，將理論與實踐相結合，則必然能提升學生學習自動控制原理課程的興趣，降低學習的難度。因此開發基于行動導向的學習情境，將抽象的理論形象化，是解決學生學習自動控制原理課程困難的關鍵。自動控制原理課程基于行動導向教學的媒介可采用MATLAB軟件。

MATLAB是國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，在科學運算、自動控制與科學繪圖等領域具有其他軟件無法替代的地位，已成為全世界控制系統計算機輔助設計領域中最流行和最受歡迎的軟件。MATLAB可以把幾乎所有的控制原理分析技術都用實驗的方式顯現，[2]MATLAB 中的Simulink使系統的建模和仿真變得簡化、直觀、形象。基于此，我院自動化專業教師進行了基于MATLAB軟件在自動控制原理課程中開展行動導向教學的研究。

在自動控制原理課程教學中，以MATLAB作為主要的仿真工具，采用任務—行動—總結、任務—案例—學生做等模式進行行動導向教學。如在教學中可首先下達任務，提出學生要解決思考的問題；接著以MATLAB為工具通過學生的行動實現啟迪；最后伴隨行動總結得出結論。例如，在比例控制規律教學中，首先可以給學生下達任務：啟動MATLAB的Simulink，組態比例控制系統，設置不同的比例系數KP，觀察控制曲線和動態性能指標，分析比例帶大小對控制過程性能指標的影響。同時提出學生在行動中應思考的問題：控制過程結束后系統是否存在穩態誤差，等等。接著讓學生在simulink中進行組態、實驗，在行動中觀察比例控制規律的特性，總結比例控制規律的特點。最后，教師和學生一起分析、總結，完成教學。

二、采用虛擬DCS實現分散控制系統（DCS）課程的基于行動導向教學

DCS在火電廠中得到廣泛的應用，在為數眾多的工業企業中也得到了大量的應用，是目前極為重要的控制方式。各院校都很重視DCS教學，目前大多院校都購置了DCS硬件。但由于DCS硬件及對象費用較高，各院校一般只能配備1～2套相關設備。在教學中，由于設備少，學生只能一組一組地實驗，大大影響了教學效果，不利于教學工作的開展。

如何解決DCS硬件設備少，學生缺少動手學習機會的問題呢？可設計如圖1所示的實訓室建設方案。[3]在該方案中，建設1～2套含有真實DCS控制柜和硬件對象的真實DCS系統；同時，開發包含虛擬控制柜和仿真對象的虛擬DCS系統。虛擬DCS系統可在學生計算機上實現，每臺計算機上都有一套。在教學時，學生先在虛擬DCS系統上進行系統的組態、下載、運行調試等。此過程和在真實DCS上完全一致，絕大部分DCS的訓練內容都可在此虛擬DCS系統上完成。在學生經過充分訓練后，可再通過完成對真實DCS系統的控制、硬件的檢測，達到對真實DCS硬件系統的直觀認識。

自動化專業DCS實訓室建設了一套含有新華DCS控制柜和高級過程控制對象的真實DCS硬件系統，同時基于新華DCS的虛擬DPU開發了一套和實驗室真實硬件對象完全相同的虛擬對象和虛擬DPU控制柜。教學中，學生首先在虛擬DCS系統上進行數據庫、畫面、控制邏輯等等的組態，組態可下載到操作員站和虛擬DPU中，并可在虛擬DCS系統中進行系統的運行、調試和投參數等。在虛擬DCS系統上完成控制系統的設計、調試后，只需將組態中的輸入、輸出接口根據實驗室中真實DCS硬件的接口做相應修改（其余組態均不需改變），將組態下載到真實DCS中，即可實現對實驗室真實DCS硬件過程控制系統的控制。在虛擬DCS系統上教學時，除不能完成卡件維護等涉及硬件維護的教學外，幾乎可以完成在真實DCS上所能完成的所有DCS的教學。此種方式，由于學生可在虛擬DCS系統上得到充分訓練，大大提高了教學效果。

三、采用基于虛擬DCS的火電機組仿真系統在過程控制系統課程中開展基于行動導向教學

基于行動導向開展火電廠過程控制系統課程的教學是熱工自動化教師長期以來探索研究的一個問題。但是由于火電廠熱工控制系統的復雜性和火電機組對象在教學環境下的不可復現性，很多高校教師都探索采用仿真技術來實現該課程的教學。目前最常見的方式為采用MATLAB進行過程控制系統的仿真教學。但由于該方式的局限性（見下1所述），有些教師考慮采用全激勵式仿真機開展過程控制系統的教學，但難以實現（見下2所述）。為此，自動化專業教師嘗試采用基于虛擬DCS的激勵式仿真機開展過程控制系統等課程的教學（見下3所述），并取得了良好的教學效果。

1.采用MATLAB實現過程控制系統的仿真教學

在該種方式下，主要是讓學生在MATLAB中的Simulink環境下進行控制系統的組態（例如圖2所示），進行仿真實驗，觀察控制效果。[4]

該種方式被大多數院校用于過程控制系統課程中進行實驗教學，也有個別學校基于此方式在過程控制系統課程中開展行動導向教學。自動化專業教師前期也做了基于MATLAB的行動導向教學的探索和研究，在該方式下學生可以采用數學模型進行系統的組態，進行系統的投參數實驗，觀察控制效果。該種方式只能基于行動導向完成過程控制系統課程的部分內容教學，但難以實現協調控制等復雜控制的教學。特別是采用MATLAB仿真方式，距離實際工廠環境差距巨大，學生不能得到面向工廠環境的真實訓練。雖然如此，由于沒有更好地基于行動導向教學環境，這也是目前大多數高校在過程控制系統課程教學中不得不采用的方法。

2.采用全激勵式仿真機開展過程控制系統的教學

隨著火電廠仿真技術的發展，產生了全激勵式仿真機。全激勵式仿真機保留了分散控制系統的軟硬件，鍋爐、汽機、電氣等對象用仿真模型實現，仿真支撐系統模型運行在模型計算機上。在全激勵式仿真機中，DCS部分與電廠完全一樣，可以保留電廠分散控制系統的全部功能。因此，學生可在全激勵仿真機上進行邏輯的組態、邏輯的修改，系統的運行、系統的調試等。學生如臨電廠真實的DCS工作環境，可以得到在現場工作一樣的真實訓練效果。[5，6]

但是由于全激勵仿真機保留了分散處理單元（DPU）硬件，造價高，一個學校配置一套完全復現火電廠的全激勵式仿真機已實屬不易了。眾多的學生要在一套全激勵式仿真機上開展基于行動導向的過程控制系統課程教學，教學效果顯而易見是不會很好的。因此很少有學校依靠全激勵式仿真機開展基于行動導向的過程控制系統課程教學。

3.采用基于虛擬DCS的激勵式仿真機開展過程控制系統等課程的教學

由于全激勵式仿真機的造價高，近年來產生了基于虛擬DCS的激勵式仿真機。所謂虛擬DCS就是將真實DCS在非DCS的計算機系統中以某種形式再現。在虛擬DCS中，由虛擬DPU取代真實DPU硬件設備。虛擬DPU在非DCS的計算機上實現，實際分散控制單元中的DPU功能移植到虛擬DPU軟件上。這樣整個虛擬DCS系統就可以脫離數據采集及數據運算硬件設備而工作，節省大量硬件投資。圖3是實際DCS系統與激勵式仿真機系統的比較。[7]

虛擬DPU實現了和真實DPU幾乎完全一致的功能，火電廠的邏輯組態和人機界面（HMI）組態可以直接拷貝到基于虛擬DCS的激勵式仿真機中。在此仿真機上，學生可進行邏輯的組態、邏輯的修改，系統的運行、系統的調試等。學生所處的環境和電廠真實的DCS工作環境幾乎完全一致，[8]學生可以得到和在火電廠真實環境幾乎完全一致的訓練。由于基于虛擬DCS的激勵式仿真機造價較低，一個實訓室可配備多套，這樣學生可以分成多組，每組學生都可以在此種仿真機上基于行動導向學習，都可以得到充分的學習和訓練機會。

我院自動化專業實訓室建設了9套基于虛擬DCS的火電機組仿真系統。上位控制軟件為某火電廠完全真實的拷貝版，其運行在虛擬DCS上，鍋爐、汽機等被控對象采用計算機仿真。教學時，按照給水控制系統的調試、燃燒控制系統的調試、……協調控制系統的調試等項目開展基于行動導向的教學。學生可在此系統上進行火電廠各熱工系統的組態修改、投運、調試等工作，其和真實現場工作環境完全一致，因此大大提高了教學效果。

四、結語

基于上述仿真技術開展基于行動導向教學，由于學習環境和現場工作環境幾乎完全一致，所學即為所用，提高了課程教學的針對性和適用性。學生在學習中基于行動導向自主解決問題，提高了學生的興趣，降低了學習難度。同時在虛擬仿真環境，學生可做一些在現場不敢做的技術嘗試，提高了學生的技術應用能力。總之，上述將仿真技術應用于熱工控制技術教學的方式，將可以很好地解決硬件設備貴和工廠環境難以再現的問題，從而促進高職院校自動控制原理、分散控制系統（DCS）和過程控制系統等課程基于行動導向教學的開展。

參考文獻：

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（責任編輯：王意琴）