基于MCGS組態軟件的過程控制課程設計創新教學

劉士亞 肖紅軍 林梅金 屈莉莉

佛山科學技術學院 機械與電氣工程學院 廣東佛山 528000

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基于MCGS組態軟件的過程控制課程設計創新教學

劉士亞 肖紅軍 林梅金 屈莉莉

佛山科學技術學院 機械與電氣工程學院 廣東佛山 528000

摘 要：創新能力的培養是現階段各普通高等院校對本科生的培養目標之一。隨著高校的擴招，每位學生享受的資源與關注度降低，因此更應該注重每次實驗過程中對創新思維的培養。傳統的過程控制實驗以組態軟件為載體進行，學生在實驗當中，過度依賴操作說明書，缺乏獨立思考能力與創新能力。本文提出“實踐+創新”的實驗教學模式，提高每位實驗參與者的能動性，激發創新意識，改善實驗教學的效果。

關鍵詞：MCGS組態軟件；過程控制； 實踐； 創新

過程控制是電氣工程與自動化、測控技術與儀器等相關專業基礎課程。通過過程控制課程的學習，能使學生對實際的工業生產過程有一定了解，如石油、食品、煉焦、化工和電力等等。良好的實驗教學，能有效地將理論知識與實際應用關聯起來，同時加深對工業生產環節的理解。因此，在理論課程學習后，一般會開設為期兩周的過程控制課程設計，使學生們能參與到實驗過程當中，直觀的監測溫度、液位等被控對象的變化，并運用理論知識實現有效的控制。傳統實驗教學，注重對實際生產過程的再現，能一定程度上加深對理論知識的理解。但學生只需按實驗操作說明書的步驟，按部就班即可實現實驗效果。在此過程中，學生缺乏對實驗機理深層次的思考和實驗思路的創新，很大程度只停留在“理解”的層面上。本文基于傳統實驗教學方法，開展“實踐+創新”的實驗教學改革，注重對學生創新思維與創新能力的培養［1，2］。本文以“雙閉環流量比值控制”為例，詳細闡述如何基于傳統的實驗教學內容，對實驗過程進行改革。將理論知識應用融入具體的實驗操作中，實現“實踐”；同時降低實驗過程中的唯一性引導學生發散性思維，實現“創新”。

1 系統控制目標

相較于傳統實驗教學的直接選題，并且附帶詳細的實驗操作說明書。本實驗只提供基本的控制目標與相關儀器設備的基本操作步驟，不提供具體的解題思路和控制方法。

控制目標：設計一個系統，能同時控制電動閥支路流量與變頻器磁力泵支路流量，并且變頻器磁力泵支路流量能跟隨電動閥支路流量的變化而變化，而且兩者保持一定的比例關系（比例自擬）。系統具有一定的魯棒性，能克服外界的擾動對比值的影響，并且受到擾動后，系統仍回到原始設定的穩定狀態。

2 系統方案設計

由控制目標可知，系統需選用比值控制系統，單閉環流量比值控制系統無法保證主回路的流量恒定不變，因此在單閉環的基礎上增加一個主流量的控制回路，構成雙閉環流量比值控制系統［3，4］。

本系統有兩條支路，一路是主動量電動閥支路的流量Q1，另一路是從動量變頻器磁力泵支路流量Q2，從動量Q2跟隨主動量Q1變化而變化，而且兩者保持一定的比例關系Q2/Q1=K.

3 實驗過程分析

傳統實驗中控制器算法均選擇PID控制，實驗基本流程圖如圖1所示：

圖1 實驗流程圖

根據系統的控制目標，設計相應系統控制方案。在過程控制實驗設備上求取被控對象的模型，實現在Matlab/Simulink平臺上的仿真建模。模型建立的準確性很大程度上影響系統的控制效果。模型建立較準確，仿真出來的控制參數在實際實驗設備上運行也能獲得較好的控制效果，滿足控制要求，極大地減少了工作量。

3.1 系統傳遞函數的求取

圖2 慣性系統階躍響應曲線

圖3 電動調節閥支路流量特性曲線

3.2 系統仿真模型的建立

使用Matlab7.1建立系統仿真模型，在系統結構圖中，控制器選用PID控制，建立仿真模型如圖4所示。PID控制器的參數求取的方式眾多，其中常用的有試湊法和經驗法，這里不詳細闡述。在本實驗中求得主回路理想參數為：P=41.0，I=60，D=0，副回路理想參數為：P=55.0，I=100，D=0。

圖4 系統仿真模型圖

4 MCGS組態軟件的創新教學

MCGS是一套全中文32位工控組態軟件，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，快速方便的開發用于現場采集、數據處理和控制、設計人機界面的設備［5］。

MCGS的設計步驟包括：建立工程項目、進行設備配備、制作圖形界面、構造數據庫、創建運行策略、調試運行［6］。在傳統的實驗教學中，MCGS組態軟件已經設計好，學生只需使用即可。本實驗要求學生至少參與一部分的設計，一般為設計運行策略。因此，對于控制器控制方法的選擇，不僅僅限制于PID控制。鼓勵學生發散性思維，搜索網絡，查閱文獻，更多的了解如自適應控制、神經網絡控制、模糊控制等工業過程控制的常用算法。即便是采用PID算法，也可以在原有算法上做一定的改進。在這個思考的過程中，是對學生創新思維的培養。不一定要求學生設計出復雜的MCGS控制策略，實現實驗控制目標即可。再者，參與MCGS組態軟件的設計，能促使學生深層次的理解實驗基本原理與理論基礎，加深對工業型流量傳感器、執行機構的了解和認識。即能通過實驗了解工業生產過程，又能在這個過程中有所思有所感悟，這就是課程設計所要達到的效果。

以雙閉環流量比值控制系統為例，采用增量式PID控制算法，其部分控制策略為：

p1=kc1*（e1-e1_1） % kc1：比例系數 e1：當前時刻偏差 e1_1：上一時刻偏差

i1=kc1*ts*e1/ti1 % ts:采集周期 ti1：積分系數

d=kc1*td1*（e1-2*e1_1+e1_2）/ts % td1：微分系數e1_2：上上時刻偏差

det_u1=p1+i1+d1 %當前時刻的控制值增量

uk1=u1_1+det_u1 %當前時刻的控制值 u1_1：上一時刻控制值

if uk1＞=100 then uk1=100 %控制值限幅度0-100

if uk1＜=0 then uk1=0

u1=uk1 u1_1=u1 op1=u1 %賦值為下一次運算做準備

實現的控制效果如圖5所示。由圖可知，主動量與從動量保持一定的比例關系（K=1.5）。當出現擾動時，從動量隨著主動量的變化而變化，并且很快地回到原始設定的穩定狀態，實現控制目標。

圖5 系統實際運行結果曲線

5 實驗效果分析

課程設計的考核方式為報告加答辯。學生以組為單位，輪流回答2～3個與實驗相關的問題，包括實驗原理、實際操作、系統結構、理論基礎、團隊中所負責的工作等各個方面。結合實驗報告的撰寫情況與個人在課程設計中的參與度，以百分制給出最后考核分數。

采用傳統的實驗教學，針對學生的考核結果與平時做實驗的情況，存在如下不足：

（1）團隊整體參與度不高，由于傳統實驗中每項工作必須一項一項輪流完成，并且實現難度不大，因此每組基本上只有固定的少數幾個學生在參與。

（2）實驗完成所需時間較短，為期兩周的課程設計，大部分組一周即可完成。

（3）問題回答情況較差，一部分學生連最簡單的基礎知識也不了解。有的學生認真完成整個實驗后，對實驗的機理與理論知識也是一知半解。

（4）實驗報告抄襲情況嚴重。

在往屆課程設計中，本校電氣工程與自動化專業的學生采用了新的實驗教學方法，相對傳統實驗教學，新的實驗教學效果對于如表1所示。

表1 實驗效果對比

6 結束語

本文以雙閉環流量比值控制系統為例，詳細分析了如何以傳統實驗內容為基礎，融入應用型人才培養目標要求，強調“實踐+創新”的實驗教學模式，激發學生的創新思維。以學生反饋情況來看，實驗改革效果較好。唯一的不足是實驗教師工作量增加。

參考文獻

［1］秦海鴻，黃文新，曹志亮，張紹杰，劉闖.電氣工程與自動化實踐教學體系的優化建設［J］.實驗室研究與探索，2015（2）:148-150.

［2］米潔，高宏.課程—實踐—創新相輔相成的教學模式改革［J］.實驗室研究與探索，2015（2）:167-170.

［3］劉恒娟.基于MCGS的單閉環流量比值控制系統的設計［J］.貴州大學學報:自然科學版，2010（4）:74-76.

［4］羅小虎，發發，毛先萍. 基于MCGS的雙閉環流量比值控制系統的設計［J］.中國石油和化工標準與質量，2013（2）:240.

［5］北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司.MCGS用戶手冊.2004.

［6］孫松麗，王榮林，張桂新.基于MCGS的PLC仿真實訓系統設計［J］.實驗室研究與探索，2015（1）:87-91.

圖書館建設

Innovative Teaching of Process Control Course Design Based on MCGS

Liu Shiya， Xiao Hongjun， Lin Meijin， Qu Lili
School of Electro-mechanics & Information Engineering， Foshan University， Foshan， 528000， China

Abstract:Foster innovation is one stage of the undergraduate training objectives for each ordinary institutions of higher learning. With college enrollment， each student enjoyment of resources and attention was reduced. Thus each experiment should focus on the Cultivation of Creative Thinking. The traditional process control experiment with configuration software for the carrier .Among the students in the experimental， excessive dependence on the operating instructions， lack of independent thinking and innovative ability. This paper presents "Practice + Innovation" experimental teaching mode. Improve each student's initiative， stimulate innovation awareness， and better the effect of experimental teaching.

Key words:MCGS confguration software； process control； practice； innovation

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：劉士亞，碩士，助理實驗師。

基金項目：2014 年廣東省“創新強校工程”專業綜合改革和應用型人才培養示范專業項目；佛山科學技術學院“創新強校工程”教學改革項目——優秀教學團隊。