提升學生過程控制工程應用能力的實驗教學改革探索與實踐

許弟建 彭宇興 田芳 余永輝

摘要：本文對我?！哆^程控制系統》課程緊密圍繞如何提升學生工程應用能力為主線，就基于數學模型、基于真實實驗裝置、基于虛擬仿真軟件等多維度進行實驗項目的不斷優化、實驗教學手段的不斷豐富和實驗核心技能的培養落實等方面的實驗教學改革探索與實踐進行了總結。教學實踐表明，改革取得了良好的教學效果。

關鍵詞：過程控制系統；仿真；工程應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）09-0260-02

我校（重慶科技學院）作為應用型特色鮮明的學校，對學生的工程應用能力的培養一直以來都是作為重點貫穿教學過程的始終?！哆^程控制系統》在自動化專業課程體系中占有極其重要的地位，是培養應用型自動化專業人才的關鍵課程之一。通過這門課程的教學，要使學生能獲得運用自動控制原理，結合生產過程機理，利用自動化儀表及裝置去從事生產過程的分析、設計、運行與開發研究的工作能力。

為了實現學校一貫的“工程應用能力培養”的教學宗旨和教學目標，我校對過程控制實驗室進行了不斷的完善和充實，從最初的僅有兩套化工仿真裝置，一直充實到現在的六套真實的A3000高級過程控制系統實驗裝置和三套真實的過程控制系統以及六十套化工仿真軟件。下面就基于數學模型、基于真實實驗裝置、基于虛擬仿真軟件等多維度進行的教學改革實踐做具體闡述。

一、基于數學模型進行仿真演示為主的初級階段

當時由于最初條件有限，我校過程控制實驗室僅有兩套化工仿真裝置，而且該仿真裝置僅是依靠建好的數學模型進行仿真，所有的管道都是示意，沒有真實的介質；所謂的反應釜也是模型，看不到任何現象，至于是如何實現這個控制算法的，更是不得而知。因為仿真都是建立在數學模型的基礎上，都是黑匣子，這與現場實際嚴重脫節。實驗項目僅包括“離心泵液位控制”、“熱交換過程控制”、“臨界比例法PID控制器參數整定”等三個驗證性實驗。

二、基于項目制思想利用真實實驗裝置開展綜合性實驗教學階段

我校購置了6套A3000真實過程控制實驗系統，主要由三個組成部分：

①上位機。主要由具有RS232串口通訊功能的電腦主機、顯示器及安裝有西門子WinCC組態監控軟件的Windows操作系統組成。

②控制柜。主要由智能儀表控制器、研華公司的ADAM模塊控制器、西門子S7-200PLC控制器以及現場對象的傳感器、執行器等部件的信號輸入/輸出接插口區等組成。

③現場對象。主要由上、中、下三種不同類型水箱、鍋爐、儲水箱、兩個磁力驅動泵、電動調節閥、變頻器、調壓模塊、液位變送器、壓力變送器、溫度變送器、流量變送器以及連接各個部件的管道球閥等組成。

隨著以上實驗設施的充實和完善，除了開設以前的三個傳統驗證實驗項目外，我們還大幅度增加了“液位定值控制”、“流量液位串級控制”、“單閉環流流量比值控制”等實驗項目，讓每個學生都能夠親自動手調試實際的過程控制系統，達到比較理想的控制效果，從而體會到PID控制算法中每個參數對實際過程控制系統控制效果的影響。在大腦里形成直觀的感性認識，使理論知識和實際應用有機的結合在一起。這樣對學生過程控制系統的工程應用能力起到了長足的提升。

除此之外，由于該實驗裝置是全開放的，學生根據自己的興趣可以靈活搭建自己的控制系統，去完成一些需要耗時長的綜合性實驗項目。比如：鍋爐溫度和換熱器熱出水口溫度的前饋反饋控制系統、管道壓力和流量解耦控制系統等。學生還可以根據需要進行除了傳統PID控制算法的實驗，還可以進行現代的模糊控制算法的研究和實踐，從而提升學生現代控制技術的工程應用能力。

案例：開設的“液位與流量的串級控制”實驗項目組成結構圖如圖1所示：

該串級控制系統的主控量為下水箱的液位高度H，副控量為電動調節閥支路流量Q，它是一個輔助的控制變量。系統由主、副兩個回路所組成。主回路是一個恒值控制系統，使系統的主控制量H等于給定值；副回路是一個隨動系統，要求副回路的輸出能正確、快速地復現主調節器輸出的變化規律，以達到對主控制量H的控制目的。

三、虛實結合，實驗教學手段和內容進一步豐富階段

緊密結合我校應用型高校的辦學特色及冶金石油行業背景，立足于使我校自動化專業的學生走上工作崗位后能盡快地適應石化和冶金等行業的要求，具有較強的過程控制系統工程應用能力，學校還特地為過程控制實驗室購置了六十套化工仿真軟件系統來補充實際裝置不足的短板。這套化工仿真軟件高度仿真輸送、熱交換、壓縮、間歇反應、連續反應、加熱、吸收、精餾、蒸餾、催化裂化反應等具有真實工廠背景的過程控制系統[1]。

以熱交換器為例。熱交換器為雙程列管式結構，起冷卻作用，管程走冷卻水（冷流）。含量30%的磷酸鉀溶液走殼程（熱流）。流程圖如圖2所示。

學生通過開車、停車操作方式，即可實現整個過程控制流程，提升工程實踐能力。

四、從工程認證要求能力角度進行總結

我?！哆^程控制系統》實驗設備與實驗項目持續建設始終緊密圍繞提升學生過程控制工程應用能力而進行。上述建設方便實現對典型的過程變量液位、流量、壓力、溫度進行測量、顯示和自動控制，并可實現從簡單到復雜、從經典到現代的控制策略實驗，有利于學生對輸入輸出模塊、智能儀表、PLC可編程控制器等構成的現代典型工業控制系統的掌握。化工仿真軟件有利于學生對石油化工領域的系列典型工藝過程和設備運行情況等仿真，對更多的典型過程控制案例仿真實現，提升工程應用能力。

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