過程控制技術課程虛擬仿真實驗教學系統建設與翻轉課堂實踐

竇東陽，王艷飛，王啟立

（中國礦業大學，江蘇徐州 221116）

適應信息化條件下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的新形勢，深化信息技術與教育教學深度融合，教育部決定大力推進虛擬仿真實驗教學項目建設工作。艾萌萌等[1]以潛油電動機實驗為例，利用虛擬仿真技術，將教學重點、難點融入虛擬場景，構建與生產現場一致的實驗場景。王哲等[2]建立了1 000MW 超超臨界火電機組燃燒系統虛擬仿真實驗系統。涂繼亮等[3]開發了航空電子與控制虛擬仿真實驗教學系統，可展現與綜合航電及飛行控制工程實際相一致的操作流程。王曉慧等[4]開發了基于Matlab GUI 和LabWindows CVI 的自動控制原理虛擬實驗教學平臺。代偉等[5]利用WinCC、Matlab和OPC 技術，開發了一套易于擴展、界面友好、算法開放的虛擬過程控制實驗教學系統。竇東陽等[6]設計了基于組態軟件和LabVIEW 的旋轉機械狀態監控與故障診斷實驗系統。可見，相關工作受到了各高校和學者的普遍重視。

過程裝備控制技術是過程裝備與控制工程專業（機械類）的主干課程，主要講述過程控制基礎知識、檢測技術及傳感器、調節規律及控制器、執行器及儀表的防爆、單回路控制系統、復雜控制系統、計算機控制系統以及典型過程設備的控制方案等，通過該課程的學習，使學生掌握過程控制的基礎理論和工程技術方法，包括測量數據分析處理、傳感器檢測原理與選型、PID 調節規律及工程整定、調節閥流量特性與選型、單回路控制系統和復雜控制系統分析設計等，具備綜合應用所學知識解決相關領域復雜工程問題的能力。課程配套有水箱簡單PID 控制等多個課程實驗，同時這些實驗也是化學工程與工藝專業（化工類）化工過程測控技術課程的配套實驗（為方便敘述，兩門課統稱過程控制技術課程），應用范圍廣。為了響應國家發展虛擬仿真實驗教學的號召，保障實驗教學的實施，同時也為翻轉課堂教學提供現代化工具和研討手段，針對機械類和化工類過程控制教學需求，課題組建設了過程裝備控制技術虛擬仿真實驗教學系統，并開展了翻轉課堂應用實踐。

1 仿真實驗教學系統建設

系統能夠模擬現有實驗室實際設備，代替其完成相關配套實驗。能夠完成如水箱簡單PID 控制實驗中的單回路PID 參數整定，比例（P）、積分（I）、微分（D）參數對過渡過程的影響，以及水箱串級控制中的主、副回路PID 參數整定等實驗教學活動，取得與理論分析和實驗結果一致的結論。

系統總體設計思路為：利用組態軟件開發與實際實驗設備相近的操作界面。通過實驗測定實際實驗設備上、下水箱的特性參數，利用機理加實驗綜合建模方法，在MATLAB/Simulink 中建立實際設備的仿真控制模型。仿真界面和底層仿真模型通過OPC 技術實現數據交互。

以水箱簡單PID 控制實驗為例，將下水箱的液位信號與系統給定值相比較，獲得偏差信號，輸入到調節器，再由調節器輸出控制信號調節上水箱的進水調節閥，控制上水箱的進水量，以達到控制下水箱液位的目的。

1.1 水箱特性測定

測定實驗室現有雙容水箱裝置的階躍響應參數，以20s 的時間間隔采集水箱的階躍響應數據。在實驗中，通過對調節閥的開度進行調節，從而改變上水箱的進水量，給被控對象加入一個階躍輸入信號，且實驗中各手動閥門的開度不變。測量上水箱參數，將電動調節閥開度從20%調至30%，而測量下水箱參數時，將電動調節閥開度從30%調至40%。對上水箱30 組數據進行擬合，用切線作圖法求取對象傳遞函數，如圖1所示，實線為擬合曲線，虛線為曲線在原點的切線，它與曲線穩態值y（∞）虛線相交于A，解得A 點坐標為（128.5032，96.2924），可得上水箱傳遞函數為：

圖1 上水箱實驗測定曲線

同理可得下水箱傳遞函數為：

1.2 底層控制建模

在MATLAB/Simulink 環境中搭建水箱簡單PID 控制方塊圖，如圖2 所示，其中PID 環節的傳遞函數為：

圖2 水箱簡單PID 控制方塊圖

1.3 仿真界面開發

基于組態王軟件，參照實際系統界面開發了仿真操作界面，如圖3 所示。以水箱簡單PID 控制為例，首先對水箱的比例系數進行整定，在界面右下方的控制面板中，點擊主比例系數的值，在彈出的輸入界面中將水箱主比例系數設為0.5，再點擊下水箱給定液位的數值，將其設置為100 mm，實時趨勢曲線即刻發生變化，運行結果如圖3 右上角圖框所示。由圖可知，響應曲線在波動兩次后趨向于平穩，調節較為迅速，該比例系數設置合理，但存在較大的余差，下水箱液位并未達到給定值。

圖3 純比例調節響應曲線

比例系數不變，向系統中加入積分調節。系統保持運行，在原來的基礎上，將積分時間系數設置為0.2，然后再給系統施加一個階躍輸入，將下水箱給定液位設置為200 mm，實時趨勢曲線又立刻發生變化，運行結果如圖4 所示。觀察運行結果可以發現，加入積分調節后，余差得以消除。

圖4 比例積分微分調節響應曲線

以上操作步驟和實驗效果與實驗室實際設備相符，在此基礎上，還驗證了比例、積分、微分參數對過渡過程的影響，并與實際系統進行了對比，取得了較好的一致性，系統能夠用于仿真教學。

2 教學設計思路

翻轉課堂與傳統教學模式不同，傳統教學模式以教師為中心，但是在翻轉課堂教學模式中，學生變為課堂的主體，由被動學習轉變為主動學習，以目標為導向，能夠顯著提高教學效果[7-9]。目前大多數的翻轉課堂依賴現代化的教學資源，尤以課程視頻和在線習題為主，一般以學生線上自學、課堂提問加研討、課后線上作業鞏固的模式開展[10-12]。在這種模式下，學生的動手能力得不到提升，目標導向一個重要的觀察點就是學以致用，因此，此模式存在局限[13-14]。

過程控制技術課程虛擬仿真實驗教學系統的建設可以彌補上述缺陷，在現有傳統課堂教學資源的基礎上引入仿真實踐環節，建立學生“學—問—用—再學—再問”的學習循環，實現能動手操作的翻轉課堂教學。

3 翻轉課堂教學實踐

以過程裝備控制技術課程PID 參數整定教學內容為例，利用仿真系統與超星智慧課堂開展翻轉課堂教學。該節教學知識能力目標為：（1）理解放大倍數、比例度、積分時間的概念；（2）掌握比例調節規律、比例積分調節規律；（3）掌握比例度、積分時間對過渡過程余差、最大偏差和穩定性的影響。

課堂教學過程如下：（1）學生課前在超星學習通平臺自主學習視頻，完成預習題，讓學生對比例、積分參數的整定方法有一個初步的認識；（2）利用學習通平臺上的話題討論問題：a.我想控制一個“熱得快”，讓一鍋水的溫度保持在50℃；b.要是希望汽車的車速保持在50km/h 不變，你還敢這樣做嗎？你覺得可行嗎？引導學生思考參數整定的例子，試著搜集問題；（3）課中利用仿真系統讓學生按照規定的實驗步驟按部就班動手操作，將知識學以致用，在操作中將線上自學的知識掌握牢固；（4）引導學生在操作中深入體會，嘗試自己解決先前線上學習遇到的問題，或者在動手實踐過程中發現新問題；（5）進行分組討論，交流各自的問題，教師答疑解惑；（6）完成線上練習題，總結各自經驗所得，進一步鞏固所學知識；（7）讓學生利用系統自由探索，教師對下一次教學知識點（微分參數整定）進行適當引導，為下一節的知識學習埋下伏筆。

同時，利用仿真系統開展課程思政教育，讓學生動手實踐控制系統的穩定性，并施加干擾作用，觀察抗干擾性能，了解穩定性對控制系統的重要性。該實踐建立了“學—問—用—再學—再問”的知識學習良性循環，實現了能動手操作的翻轉課堂教學，在最近一次學生評教中，學生對使用該仿真系統的過程裝備控制技術課程的評價為優秀，取得了滿意的效果。該系統目前還成功應用于中國礦業大學過程裝備與控制工程專業相關課堂教學和畢業設計中。

4 結語

針對過程裝備控制技術課程翻轉課堂教學，以及人才培養對實驗教學的新需求，參照實際實驗設備開發了基于組態軟件和Simulink 的虛擬仿真實驗教學系統。該系統既可在課堂教學相關知識點講解時演示，提高教學效果，也可在課程配套實驗環節由學生一人一機操作，還可以實現能動手操作的翻轉課堂教學，學生可以針對自己的疑惑大膽探索，培養了學生動手操作能力，踐行了“學生中心”的教育理念，強化了以能力為先的人才培養理念。仿真系統操作步驟以及實驗效果與實驗室設備基本一致，已經在翻轉課堂教學、實驗教學和畢業設計環節應用，取得了良好的使用效果。