過程控制系統辨識實驗與翻轉課堂教學探索

盧潔瑩，蘇為洲

（華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

隨著德國“工業4.0”“中國制造2025”等概念的提出，工業技術實現了飛躍式發展，代表“互聯網+”的智能生產也應運而生。為了應對新一輪科技革命和產業變革，2017 年以來，教育部積極推進“新工科”建設，對高校提出了以“新工科”理念為先導，開展多樣化探索，形成有特色的工程教育模式的要求[1]。在這樣的時代背景下，過程控制技術作為工業生產中的一項重要技術，將傳統的工業生產系統轉化為智能化的生產系統及過程，能進一步強化國家工業基礎、提高制造業的創新能力。

“過程控制系統實驗”課程融合了控制理論、生產工藝、計算機技術和儀器儀表等方面的知識。傳統的“過程控制系統實驗”課程主要包括對象特性測試實驗、單回路實驗及串級控制系統參數整定實驗等。在對象特性測試實驗中，被控對象的數學模型建立是一項重要內容[2]。在控制系統方案設計中，各個儀表裝置的選型、控制器參數的選擇等都是以被控對象的動態特性為依據的。因此被控對象特性對于控制系統方案設計、儀表選型、控制器參數調節以及控制性能分析和改善都具有極為重要的意義[2-3]。而要精確描述被控過程的動態特性，就需要建立數學模型[4]。在傳統的“過程控制系統實驗”課程中，有關被控對象模型辨識與建模的內容較少且不深。經過課程改革后，我們增加了過程控制系統辨識實驗，將不同的辨識方法運用到實驗課程中，鼓勵學生利用仿真軟件等對控制系統的被控對象進行建模，同時還要求對所建立的模型進行有效性驗證和定量分析，加強了課程內容的綜合性和探索性。

翻轉課堂從美國傳入國內已有十多年，其核心是借助網絡技術，讓學生在課前通過觀看視頻等方式自主學習主要的知識點，然后在課堂上教師與學生互動交流、對學生答疑解惑，學生在課余時間利用互聯網、微課等信息手段進行知識拓展并及時反饋學習效果[5-7]。翻轉課堂注重學生自主學習、交流和創新能力的培養，提倡個性化教學，有助于學生知識的內化，提高學生課堂參與度[7]。

對于“過程控制系統實驗”這門實踐性與綜合性較強的課程，翻轉課堂教學模式尤其適用，因為翻轉課堂強調以問題為導向，以任務為驅動，這與該課程的實驗教學目標十分契合。本文將介紹過程控制系統辨識實驗以及翻轉課堂教學模式在其中的應用，探討如何通過豐富傳統過程控制系統實驗的教學內容和更新教學模式，提高學生實踐水平和實驗教學效果。

1 過程控制系統辨識實驗課程概述

1.1 過程控制系統辨識實驗背景及重要性

過程控制系統由各類自動化儀表、裝置以及被控過程組成，系統的控制質量與被控對象的動態特性有密切關系。在許多實際的過程控制工業系統中，被控過程的動態特性是未知的，需要用數學模型來建立系統特性的定量依存關系。

圖1 被控對象建模方法

如圖1 所示，被控對象數學模型建立的基本方法主要有機理法和測試法。機理法主要是根據對生產過程機理的了解，準確地用數學語言加以描述，這需要有充分的先驗知識。當用機理法建模出現模型中有些參數難以確定的情況時，可以使用測試法進行建模，即通過被控過程的輸入、輸出數據進行數據處理和計算，估計出系統的模型。測試法相對于機理法對于復 雜的生產過程更有優勢，主要分為經典辨識法和現代辨識法。經典辨識法包括時域法、頻域法和統計相關法等，現代辨識法包括最小二乘法、梯度校正法、極大似然法等[2-3,8-9]?？紤]目前在工業中應用的廣泛性以及在實驗室的可操作性等因素，在實驗課程中要求學生使用經典辨識法中的階躍響應曲線法、偽隨機響應法、最小二乘法等來對一個雙容水箱以及某個實際的高階系統進行建模[10-12]。

在過程控制系統實驗中引入系統辨識的相關內容，不僅能強化學生對于系統辨識理論知識的理解和掌握，還能使學生將所學知識與實際的工業應用接軌，真正做到將實驗課程內容與實際應用相聯系。

1.2 實驗內容

本實驗分為三部分。第一部分用 MATLAB 中Simulink 工具箱構建計算機控制系統結構，包括輸入信號、被控對象數據采集等。使學生從計算機控制系統的基本構架來理解實驗系統，同時彌補實驗系統中計算機控制部分不對學生開放的缺陷。用Simulink 工具箱構建的雙容水箱計算機控制系統開環部分如圖2所示。當時間常數確定后，在輸入端加入階躍信號，在輸出端即可獲得系統的開環階躍響應曲線及數據。

圖2 雙容水箱的Simulink 開環部分

圖3 過程控制仿真系統

第二部分是雙容水箱建模，在某品牌的過程控制仿真系統上進行。如圖3 所示，仿真系統設有各種過 程控制器件，包括溫度變送器、液位變送器、壓力變送器、調節器、電動調節閥、水泵等，還設置了兩條動態流水的管道。學生可以在仿真系統上將不同的調節器、被控對象以及執行裝置接線來搭建不同的控制系統。同時，仿真系統通過直流電壓進行供電，并通過RS232 接口與上位機進行通信，上位機安裝的力控軟件設置了過程曲線的采集功能，可以直觀地觀察被控變量的變化以及采集輸入輸出數據，力控界面如圖4 所示。

圖4 過程控制仿真系統力控軟件界面

在實驗中，學生按照圖5 所示的雙容液位流程圖進行接線，然后在系統開環的情況下（即斷開液位變送器這一反饋回路），輸入一個階躍信號，得到相應的輸出響應。圖6 為學生在上位機的力控軟件上獲取的雙容水箱階躍響應曲線。

圖5 雙容液位流程圖

圖6 雙容水箱系統階躍響應實驗曲線

根據這一實驗曲線以及輸入輸出數據，可以利用階躍響應建模法建立傳遞函數（s是拉式變換后的復變量）。然后根據實驗得到的水箱時間常數，利用Simulink 計算水箱階躍響應的仿真曲線（即理論結果），并通過對比這一理論結果與實驗結果的吻合程度來驗證模型的有效性。

圖7 是雙容水箱階躍響應理論結果與實驗結果在MATLAB 中的對比圖。從圖中可以看到，階躍響應曲線的理論曲線與實驗曲線具有良好的擬合程度，說明用二階線性系統描述雙容水箱模型的合理性和有效性。

圖7 雙容水箱模型的時域驗證

第三部分為實驗結果的頻域分析。利用過程控制理論課程中講授的相關性分析方法，驗證實驗中得到的水箱時間常數和模型的有效性。這一內容的主要目的是，用不同的理論方法對實驗結果進行交叉驗證，加大學生對知識點理解的廣度和深度。由于過程控制仿真實驗平臺無法對系統輸入偽隨機信號，所以這部分工作用MATLAB 完成。具體做法是在上述Simulink仿真結構中輸入偽隨機信號，得到系統的偽隨機響應，然后根據系統輸入輸出信號的自相關和互相關序列，求解輸入輸出自相關譜密度函數和互相關譜密度函數，進而得到系統幅頻特性的數值解，最后與所建立的模型的頻率特性進行對比。

從圖8 所示的對比圖可以看出，根據模型傳遞函數得到的幅頻特性與用相關性分析得到的幅頻特性基本吻合。說明對于雙容水箱這一被控對象來說，階躍響應法是一個較好的建模方法。

為使學生對計算機控制系統結構和建模過程有更深入的理解，對實驗課程內容進行了進一步擴展和提升。借用某科研項目的實驗平臺，讓學生在實際系統上操作基于相關性分析和偽隨機響應的建模過程。學生根據某實際高階系統的一組偽隨機響應輸入輸出數據，利用MATLAB 進行系統辨識。學生可自行選擇利用MATLAB 中的系統辨識工具箱或者最小二乘法等辨識方法來進行辨識，得到系統的傳遞函數模型并進行驗證。圖9 和圖10 分別為學生的實際數據及辨識 模型的時域階躍響應對比和頻域對比。從圖9 可以看出，辨識模型和實際數據的階躍響應曲線基本一致。同樣，在圖10 所示的頻域對比中，辨識模型也將對象的主諧振峰和次諧振峰較為精確地辨識出來了。

圖8 雙容水箱模型的頻域驗證

圖9 某實際高階系統的時域驗證

為了更好地分析所建模型的有效性，對模型與實驗數據的頻率特性給出一個定量的評估指標，選擇N個頻率ω1,…,ω N，記實驗數據的幅頻特性在這些頻點上的取值為A(ω1),…,A(ωN)，同時實際系統模型的幅頻特性在這些頻點上的取值為。模型與實際系統數據的相關性系數為：

圖10 某實際高階系統的頻域驗證

該相關系數反映了模型與實際系統數據的擬合程度，當二者完全一致時，γ=1，兩者相差越大，相關性系數γ就越小。對圖10 中的模型進行相關性系數求解得到γ=0.9832，辨識模型較為精確地刻畫了實際系統的特性。

由此可見，在過程控制系統辨識實驗課程中，無論是針對過程控制仿真系統中搭建的雙容水箱所采用的階躍響應辨識法，還是實際的高階系統中基于偽隨機響應的辨識法都具有很強的有效性和可操作性。學生通過該實驗，不僅能夠接觸到目前工業界先進和實用的辨識算法，而且學會了如何對模型進行時域和頻域驗證及進行定量評估。

2 翻轉課堂實施

傳統的過程控制系統實驗教學主要采用學生課前預習實驗參考書；課中教師講解示范，學生按照教師的要求做實驗；課后完成實驗報告這種模式。過程控制系統辨識的實驗內容具有很強的綜合性和探索性，如果用傳統的教學模式，學生很難對知識進行消化理解，從而出現以下幾個問題：

（1）對計算機控制系統的結構與實施理解不深；

（2）對實驗結果的分析過于簡單，與理論分析聯系不緊密；

（3）對過程控制課程中的理論方法運用能力，特別是實驗結果的理論分析能力不強。

為了更好地豐富課程前后及課堂的教學活動，強化師生互動并激發學生興趣，保證學生學習的深入和高效，增強教學效果，在過程控制系統辨識實驗課程中采用了翻轉課堂的教學模式。

2.1 教學工作安排與實施

“過程控制系統”實驗課程針對大三年級自動化專業學生開展，每年授課人數在200 人左右。為了更好地開展實驗教學，實驗以3、4 人為一組分組進行，并建立微信群，以方便師生在課前和課后的交流和討論。

具體的教學流程如圖11 所示，主要分為課前預習、課堂教學及課后反饋三個階段。

圖11 翻轉課堂教學流程

2.2 課前預習

在課前借助網絡多媒體技術，教師將課程的重要知識點和內容安排以PPT 或視頻方式發給學生。

課前預習的主要內容包括實驗平臺及研究背景。本文所提到的雙容水箱建模實驗是在某品牌過程控制仿真系統上進行的，該系統通過計算機仿真技術，將各種過程物理對象轉換成數學模型，然后開發出對象的動態特性數學模型，通過計算機動態模擬，達到與真實控制系統相一致，其界面如前述的圖3 和圖4。學生在預習階段應熟悉仿真系統的接線及力控軟件的使用。同時，要提前了解計算機控制的結構等知識，提前學習如何在Simulink 上搭建雙容水箱模型，以及如何獲取實驗數據等。

鑒于虛擬仿真系統采集數據的局限性，利用某科研項目實驗平臺進一步拓寬了課程內容。這部分拓展內容對于學生來說具有一定的挑戰性，需要學生在課前預習關于系統辨識的相關知識，包括辨識輸入信號設計、采樣時間選擇、數據長度選擇、辨識方法以及模型驗證方法等。課前教師給學生提供一些相關的參考文獻、書籍以及視頻資料等，讓學生進行自主學習。同時借助微信群，師生之間、學生之間可以進行討論和交流，提高學生課前自學的積極性和有效性。

2.3 課堂教學

在課堂上，首先針對學生課前預習所遇到的問題，以小組為單位進行討論，并就如何設計實驗以完成系統辨識的方法進行交流。在過程控制系統辨識實驗中，學生往往會提出如下問題：①如何在虛擬仿真系統上接線以構建雙容水箱控制系統；②如何給系統輸入階躍信號來完成開環辨識的實驗；③偽隨機信號的生成問題；④如何寫最小二乘法辨識程序；⑤模型驗證方法的選擇與比較。針對這些問題，有的通過小組交流討論給出解決方案，有的通過師生問答獲得啟發。鼓勵學生在接下來的實驗過程中進行嘗試和調整，以獲得不同的結果，而不是讓學生按標準方法或答案按部就班地完成。

在學生分組實驗過程中，教師將隨時關注學生的實驗動態并加以指導。因為學生在實驗過程中難免會出現一些錯誤，需要教師及時發現并引導他們改正，從而提高學生的實驗效率和效果。在本實驗中，學生往往會出現以下問題：①由于對虛擬仿真系統和力控軟件不熟悉，導致接線錯誤或者調節器等器件設置錯誤。此時教師需要對學生予以適當的指導，同時鼓勵他們通過自行閱讀操作手冊進行學習。②有的學生可能對MATLAB 軟件的使用不熟悉。雖然有關MATLAB的書很多，網上也有很多教程，但是有的學生比較盲目，不知從何學起，此時教師需要引導學生明確需學習的內容，并引導他們利用軟件自帶的help 功能進行學習，教給學生自學的方式和方法。

2.4 課后反饋

學生完成實驗后要通過撰寫實驗報告進一步拓展提高。在實驗報告中，要完整體現實驗目的、實驗設備、實驗方法和過程、遇到的問題及解決方案等。同時強調，實驗報告中要有學生自己對于實驗內容及方法的理解和認識，重視對實驗結果的理論分析，而不僅僅是數據記錄和計算。對于學有余力的學生，要為他們提供開放實驗室進行拓展創新實驗，并設有專門的教師提供指導。此外，鼓勵更多優秀學生參與教師的“學生研究計劃”項目、進入科研實驗室學習、參加各類競賽活動、申報學生創新性項目等。

在采用翻轉課堂教學模式的同時，對于學生成績的考核方式也更加科學化和多樣化。實驗操作和考試不再作為唯一的評價依據，教學各個環節中所反映的自學能力、小組合作能力、思考與解決問題能力等也成為評價的內容。實驗的最終成績由以下幾部分組成：課前預習自學情況15%；團隊合作情況15%；實驗過程中分析和解決問題的能力25%；實驗報告撰寫的邏輯性、規范性、創新性20%；對實驗所得結果分析處理并提出進一步提升改進的方案25%。

在課程內容上引入與實際工業技術接軌的辨識算法，是在原有基礎上對知識深度和廣度的拓展。在實驗教學中，將學生作為教學活動的主體和中心、強化師生互動等措施的采用，提高了課堂教學效率。此外，科學合理的考核體系也利于學生自行制定合理的學習計劃。

3 結語

為了響應教育部“新工科”建設要求，促進實驗課堂教學與先進工業技術接軌，培養多樣化、創新型的工程人才，對“過程控制系統實驗”進行了改革，開展了基于翻轉課堂教學模式的過程控制系統辨識實驗。首先以雙容水箱和科研項目中的某高階系統為研究對象，在過程控制虛擬仿真系統以及MATLAB 中，采用不同的辨識算法建立被控對象模型。并圍繞這一實驗內容，構建了過程控制系統辨識實驗的翻轉課堂教學模式，鍛煉了學生的自學能力、團隊協作能力以及實踐能力，使學生對實際的工業控制過程有了更清晰的認識，培養了創新思維。采用翻轉課堂的“過程控制系統辨識實驗”課程得到了學生的普遍認可，實現了師生的共同進步。