面向釀造過程的復雜系統控制虛擬仿真實驗教學改革

于赫洋， 白瑞峰， 王 超，c， 梁 瀟

（天津大學a.電氣自動化與信息工程學院；b.電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心；c.天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072）

0 引言

釀造過程作為一種典型且復雜的控制對象［1］，涉及多個學科，是培養自動化專業學生解決復雜工程問題能力的重要載體［2］。“過程控制系統”是自動化專業的核心課程，對于工程人才培養意義重大［3］，釀造過程控制是該課程的重要實踐環節。在教學內容和授課模式方面，實驗教學研究者已進行了許多探索與實踐［4-7］，但由于真實釀造過程成本高，周期較長，一般為12 ～24 d，且存在水污染、大氣污染、固廢污染和微生物污染等風險［8-9］，對現場操作要求高，絕大多數崗位需持證上崗［10］，因此，出于安全與效益等因素的考慮，學生難以在實踐教學過程中動手操作，一般僅停留在參觀層面。而在實驗室環境下，常采用水來代替釀造過程對象［11］，但帶來的問題是實踐對象缺失了非線性、時變、大遲滯等復雜特性，限制了高階性、創新性實驗的開展。因此，利用信息化技術，開展面向釀造過程的復雜系統控制虛擬仿真實驗，對培養學生解決復雜工程問題能力和創新能力具有重要的意義和必要性。

本文結合“過程控制系統”課程核心知識點，以釀造過程控制為載體設計虛擬仿真實驗課程，采取模擬真實工業現場，又符合教學規律的原則，構建了虛擬環境下的釀造生產線。虛擬對象既具備復雜特性又壓縮了實驗時間，既可單分部獨立控制也可多分部聯動控制，形成支持多種控制策略的開放平臺。通過工藝、設計、構成和調試等過程和自主設計，學生可以了解釀造過程工藝，也可以完成自主設備操作和控制策略實現，還可以針對復雜對象，探索獲得更高性能的控制方法，并團隊配合實現整個生產線的聯動。

1 實驗項目設計

面向釀造過程的復雜系統控制虛擬仿真實驗依托我校電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心［12］，基于釀造過程控制系統中抽象復雜的教學內容，采用多層次、遞進式方法開展，將釀造背景、工藝技術與實驗教學有機結合，構建模擬生產仿真實驗環境（見圖1）。針對釀造工藝認知及操作、控制模式選擇優化、復雜系統控制與多分部聯控、控制算法設計與實現等實驗操作，使學生全面理解掌握復雜系統控制的理論與方法。

圖1 釀造過程控制系統虛擬仿真實驗環境

實驗利用我校檢測技術與自動化裝置國家重點學科，在復雜對象建模、檢測，機理分析等方面的研究成果［13-15］，以及對發酵過程工藝與控制方面的工程經驗，通過壓縮時間常數和內嵌復雜特性的虛擬對象設計，解決了實際釀造周期長、污染大和實驗裝置用水取代丟失復雜特性等問題，形成支持多種控制策略的開放性教學資源，實現了科研成果與教學資源建設的有機融合。虛擬仿真實驗課程采用了“情景啟發”“任務實現”和“創新探索”三層次遞進式實驗教學方法（見圖2）。初階實驗通過“情景啟發式”教學方法，讓學生熟悉仿真環境與操作，掌握行業發展、工藝過程、實驗要求和操作方式等；進階實驗通過“任務實現式”教學方法，以任務實現為導向驅動教學過程，完成釀造過程單分部的反饋、前饋和串級等控制；高階實驗通過“創新探索式”教學方法，使學生通過該虛仿項目的開放性平臺，針對復雜對象，自主分析，調研方案，設計策略，探索獲得更高性能的控制方法，并能夠實現系統聯動。實驗過程層層深入，環環相扣，突出自主實驗。在真正“做”實驗中，逐步加深對知識的理解，提升教學效果。

圖2 三層次遞進式實驗教學架構圖

2 虛擬仿真實驗教學內容

實驗涵蓋了“釀造工藝認知及操作”“過程控制系統分析設計”和“復雜系統控制與多分部系統聯控”三個層次，以學科前沿成果和實際工程問題為導向，基于虛擬仿真技術，真實運行學生自主設計的控制策略，通過仿真輸出控制的性能指標判斷控制方案的優劣。

2.1 虛擬仿真環境設計

實驗將優勢學科成果與虛擬仿真技術結合，以真實生產環境同比例構建三維仿真交互對象，控制柜、發酵罐、電磁閥、差壓變送器、傳送帶、機械臂等單元的機械結構均按照真實釀造工業流程生產線實際對象構建。

虛擬仿真環境中，為被控對象賦予了大量的細節參數，使之具備真實的物理屬性。對象內置模型通過科研成果轉化而來，支持參數更改，可選擇多種控制策略。系統的動態響應過程能夠直觀顯示，同時支持系統動態數據自動記錄、數據曲線展示與動態特性指標的測算。

2.2 釀造工藝認知及操作

“釀造工藝認知及操作”初階實驗以概念性認知為核心，觀察性實驗方式為輔助。實驗提供第一人稱漫游實驗室環境，幫助學生理解釀造過程的分部組成、工藝要求、實現原理等（見圖3）。單擊各個分部，系統彈出分部介紹及任務要求。仿真環境中可以實現360°全方位的觀測與操作，各模塊支持無級縮放，滿足學生多方位、多角度的感性認知。同時支持VR及AR設備，可以達到“沉浸式”的實驗效果。

圖3 釀造工藝認知及操作模塊

2.3 過程控制系統分析與設計

虛擬仿真實驗將任務實現式實驗教學法應用于過程控制系統分析設計中，選擇不同的分部對象，依據預置的工程實際問題，自主設計實現控制系統，完成控制任務，實現不同分部中液位、溫度、壓力等參數的控制任務，提高學生自主意識和積極性（見圖4）。

圖4 過程控制系統分析與設計

通過自主選擇合理的控制方案，包括PID 基礎控制、串級控制、前饋控制等，系統可自動反饋控制曲線及上升時間、調節時間、超調量等控制參數，并根據反饋結果進一步調整，最終以任務目標達成情況進行評分，在整個實驗過程中，系統與學生不斷進行交互，引導在完成實驗過程中，依據任務進行自主探究（見圖5）。

圖5 虛擬分析及設計過程

2.4 復雜系統控制與多分部系統聯控

在虛擬仿真教學中，除了能夠完成基礎實驗，本實驗還提供了研究型高階實驗——復雜系統控制與多分部系統聯控，為學生提供創新探索的平臺。在高階實驗中，可以自主探索，深入完成多項實體設備無法完成的創新實驗，如復雜系統的控制過程研究、多分部系統的聯動控制等。

（1）復雜系統控制。結合檢測技術與自動化裝置學科在過程參數檢測與控制方面的科研成果，在3D對象中內置了多種工程實際復雜對象系統模型，充分體現真實釀造過程的多變量、強耦合、慢時變的高度非線性，同時也避免了周期長、高污染等不利影響，解決了實體裝置用水代替導致復雜特性缺失的問題（見圖6）。

圖6 復雜系統控制研究模塊

系統支持自主選擇模型進行實驗，根據任務需求，結合復雜對象特性，設計先進控制算法與優化，依據先進過程控制、神經網絡、人工智能等原理自主設計，解決復雜系統非線性、大時滯等控制難點［16］，幫助理解復雜系統的控制原理與過程。

實驗可呈現實體實驗無法完成的對象內部復雜特性，學生可身臨其境探究多尺度狀態下的控制效果，從而達到宏觀與微觀，工程實際與理論研究、科研與教學的有效結合。

（2）多分部系統的聯動控制。在虛擬資源下，可以自主添加多個被控對象，構建流程工業生產線。生產線虛擬對象依照釀造工程實際同比例設計，各個單元的機械結構均按照真實釀造工業流程生產線實際對象構建，實驗過程中虛擬對象具有真實物理屬性，在實驗過程中，可以完成多個對象的設計與聯合調試，從而掌握復雜釀造過程的完整流程的設計方法（見圖7）。

圖7 多分部系統的聯動控制

在聯動控制實驗中，增加了過程控制生產線與運動控制生產線的節拍控制，需要根據過程控制生產線中發酵分部的控制參數，與運動控制生產線的運轉速度實現匹配，加深對流程工業生產線控制的理解。

3 實驗評價體系

根據虛擬仿真實驗初階、進階、高階的實驗內容，實驗設計了“E-T-M”評價體系，以“體驗式考核（Experience）”“任務式考核（Task）”“多元開放考核（Multiple）”的多重考核方式，分別從情景啟發、任務實現、創新探索3 個層次考核評價，并將考核融入對應實驗過程中。以貫穿“初階”“進階”“高階”完整實驗過程的“形成性考核”形式，基于性能指標的自動評價方法支撐自主選擇控制方案、自主設計控制方法和非唯一答案試錯。

考核評價過程由淺入深，環環相扣，以“閉環結構”促使核心知識點的理解過程更加清晰化和深刻化，評價方法充分體現了每個層次實驗的特點，即使考核結果有據可依，又可激勵學生積極參與。

3.1 體驗式考核

體驗式考核與沉浸式教學緊密結合，在學生漫步于仿真環境中，觀察學習各分部原理與熟悉仿真環境時，以問題彈出的形式進行考核，檢查學生的預習效果，同時通過計時進行計分。通過考核，幫助學生真正了解并掌握釀造過程的工作原理與工藝實現（見圖8）。

圖8 體驗式考核

3.2 任務式考核

進階實驗部分將任務目標式教學方法應用于教學中，學生自主選擇合理的控制方案，系統自動采集動態響應曲線，并計算上升時間、調節時間、超調量，峰值時間等控制參數，根據反饋結果進一步優化改進，直到完成所選分部的控制任務要求。

3.3 多元式考核

針對實驗完成的情況及實驗報告，結合形成性考核的思路為此實驗設計了“多元式考核”的方式。將考評分為“教師評價”“自我評價”與“互相評價”，學生上傳實驗報告，并以班級為單位，依據實驗報告進行自評和互評，教師為學生進行教評。引導學生全員參與評價考核，確保考評體系的公平性與開放性。

保證最終成績的客觀性和公正性，實驗提出了“評價準確度”的概念，由多元考核中每位學生的自評分數與其他學生對他的互評分數的相關度體現，限制學生為自己評高分等不客觀評分現象，通過相關系數r來反映該班級整體評分情況的公正性：

式中：xi為某位學生的自評分數；yi為其余學生對該學生的互評分數；r介于區間［-1，1］內，體現了學生的自評分數的相對關系與其余學生對該學生的互評分數的相對關系的一致性程度。

最終，根據學生在釀造工藝認知及操作、過程控制系統分析設計、復雜系統控制與多分部系統聯控3 個實驗的分數統計總分，并以3D 動畫展示釀造產品，實現實驗過程、結論與真實釀造工藝過程的全程對接。

4 實驗管理平臺

面向釀造過程的復雜系統控制虛擬仿真實驗依托國家級虛擬仿真實驗教學中心平臺實施教學管理（見圖9）。教學管理系統主要提供了管理員、教務、任課教師與學生四類權限，囊括了包括了教務管理、課程發布、人員信息管理、預約課程管、實驗報告提交與審批、教師答疑等功能［17］。

圖9 虛擬仿真實驗教學中心平臺

在實驗前，學生可通過計算機或移動設備登錄虛擬仿真實驗教學中心平臺，完成課程選擇與預約。在預約時間內，學生可遠程登錄教學系統，在虛擬釀造環境中完成三部分實驗內容。學生提交報告后，教師可以通過平臺下載實驗報告，驗收實驗結果，完成評分工作。

5 結語

本虛擬仿真實驗教學課程遵照“能實不虛”的原則，以及“兩性一度”一流課程標準，將復雜抽象的理論原理形象化，構建了“沉浸式”的釀造過程復雜控制系統工業環境，在虛擬仿真環境中真實再現了工業釀造流程生產線的全過程；實現了實際系統中控制方法研究、極端參數分析、算法創新設計等實體實驗難以開展的內容，避免了實體設備的復雜操作，降低了成本，提高了實驗的安全及可靠性，解決了真實實驗過程由于高危、高污染、高消耗、強復雜性等限制條件難以開展的難題。虛擬仿真實驗以學生為中心，學生在實驗中參與復雜控制系統的設計操作及管理，通過創新實驗內容和實施方式、改進實驗教學方法和考核評價方式等，激發學生學習熱情，提高學生解決復雜工程問題能力和創新能力，滿足新工科及行業人才需求［18］。

目前虛擬仿真資源已經在“國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺”面向社會開放，積極探索并建立高校間相關實驗學分互認機制，進一步發揮示范作用，并可承擔學校、相關科研機構和生產企業等人員的科普、科研和培訓等服務，實現資源共享及社會輻射，為培養解決復雜工程問題能力和創新能力提供虛擬實訓。