劉士亞 肖紅軍 林梅金 屈莉莉

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣東佛山 528000

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基于MCGS組態(tài)軟件的過程控制課程設(shè)計創(chuàng)新教學(xué)

劉士亞 肖紅軍 林梅金 屈莉莉

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣東佛山 528000

摘 要：創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是現(xiàn)階段各普通高等院校對本科生的培養(yǎng)目標(biāo)之一。隨著高校的擴(kuò)招，每位學(xué)生享受的資源與關(guān)注度降低，因此更應(yīng)該注重每次實(shí)驗過程中對創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的過程控制實(shí)驗以組態(tài)軟件為載體進(jìn)行，學(xué)生在實(shí)驗當(dāng)中，過度依賴操作說明書，缺乏獨(dú)立思考能力與創(chuàng)新能力。本文提出“實(shí)踐+創(chuàng)新”的實(shí)驗教學(xué)模式，提高每位實(shí)驗參與者的能動性，激發(fā)創(chuàng)新意識，改善實(shí)驗教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：MCGS組態(tài)軟件；過程控制； 實(shí)踐； 創(chuàng)新

過程控制是電氣工程與自動化、測控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程。通過過程控制課程的學(xué)習(xí)，能使學(xué)生對實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)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(shí)驗教學(xué)，能有效地將理論知識與實(shí)際應(yīng)用關(guān)聯(lián)起來，同時加深對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的理解。因此，在理論課程學(xué)習(xí)后，一般會開設(shè)為期兩周的過程控制課程設(shè)計，使學(xué)生們能參與到實(shí)驗過程當(dāng)中，直觀的監(jiān)測溫度、液位等被控對象的變化，并運(yùn)用理論知識實(shí)現(xiàn)有效的控制。傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)，注重對實(shí)際生產(chǎn)過程的再現(xiàn)，能一定程度上加深對理論知識的理解。但學(xué)生只需按實(shí)驗操作說明書的步驟，按部就班即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗效果。在此過程中，學(xué)生缺乏對實(shí)驗機(jī)理深層次的思考和實(shí)驗思路的創(chuàng)新，很大程度只停留在“理解”的層面上。本文基于傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)方法，開展“實(shí)踐+創(chuàng)新”的實(shí)驗教學(xué)改革，注重對學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［1，2］。本文以“雙閉環(huán)流量比值控制”為例，詳細(xì)闡述如何基于傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，對實(shí)驗過程進(jìn)行改革。將理論知識應(yīng)用融入具體的實(shí)驗操作中，實(shí)現(xiàn)“實(shí)踐”；同時降低實(shí)驗過程中的唯一性引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散性思維，實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)新”。

1 系統(tǒng)控制目標(biāo)

相較于傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的直接選題，并且附帶詳細(xì)的實(shí)驗操作說明書。本實(shí)驗只提供基本的控制目標(biāo)與相關(guān)儀器設(shè)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(biāo)：設(shè)計一個系統(tǒng)，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(guān)系（比例自擬）。系統(tǒng)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(tǒng)仍回到原始設(shè)定的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

由控制目標(biāo)可知，系統(tǒng)需選用比值控制系統(tǒng)，單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)無法保證主回路的流量恒定不變，因此在單閉環(huán)的基礎(chǔ)上增加一個主流量的控制回路，構(gòu)成雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)［3，4］。

本系統(tǒng)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(guān)系Q2/Q1=K.

3 實(shí)驗過程分析

傳統(tǒng)實(shí)驗中控制器算法均選擇PID控制，實(shí)驗基本流程圖如圖1所示：

圖1 實(shí)驗流程圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，設(shè)計相應(yīng)系統(tǒng)控制方案。在過程控制實(shí)驗設(shè)備上求取被控對象的模型，實(shí)現(xiàn)在Matlab/Simulink平臺上的仿真建模。模型建立的準(zhǔn)確性很大程度上影響系統(tǒng)的控制效果。模型建立較準(zhǔn)確，仿真出來的控制參數(shù)在實(shí)際實(shí)驗設(shè)備上運(yùn)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(tǒng)傳遞函數(shù)的求取

圖2 慣性系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖3 電動調(diào)節(jié)閥支路流量特性曲線

3.2 系統(tǒng)仿真模型的建立

使用Matlab7.1建立系統(tǒng)仿真模型，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)求取的方式眾多，其中常用的有試湊法和經(jīng)驗法，這里不詳細(xì)闡述。在本實(shí)驗中求得主回路理想?yún)?shù)為：P=41.0，I=60，D=0，副回路理想?yún)?shù)為：P=55.0，I=100，D=0。

圖4 系統(tǒng)仿真模型圖

4 MCGS組態(tài)軟件的創(chuàng)新教學(xué)

MCGS是一套全中文32位工控組態(tài)軟件，具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，快速方便的開發(fā)用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制、設(shè)計人機(jī)界面的設(shè)備［5］。

MCGS的設(shè)計步驟包括：建立工程項目、進(jìn)行設(shè)備配備、制作圖形界面、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建運(yùn)行策略、調(diào)試運(yùn)行［6］。在傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)中，MCGS組態(tài)軟件已經(jīng)設(shè)計好，學(xué)生只需使用即可。本實(shí)驗要求學(xué)生至少參與一部分的設(shè)計，一般為設(shè)計運(yùn)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(xué)生發(fā)散性思維，搜索網(wǎng)絡(luò)，查閱文獻(xiàn)，更多的了解如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等工業(yè)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(jìn)。在這個思考的過程中，是對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。不一定要求學(xué)生設(shè)計出復(fù)雜的MCGS控制策略，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗控制目標(biāo)即可。再者，參與MCGS組態(tài)軟件的設(shè)計，能促使學(xué)生深層次的理解實(shí)驗基本原理與理論基礎(chǔ)，加深對工業(yè)型流量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的了解和認(rèn)識。即能通過實(shí)驗了解工業(yè)生產(chǎn)過程，又能在這個過程中有所思有所感悟，這就是課程設(shè)計所要達(dá)到的效果。

以雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)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(shù) e1：當(dāng)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(shù)

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

det_u1=p1+i1+d1 %當(dāng)前時刻的控制值增量

uk1=u1_1+det_u1 %當(dāng)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(yùn)算做準(zhǔn)備

實(shí)現(xiàn)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(guān)系（K=1.5）。當(dāng)出現(xiàn)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(shè)定的穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

圖5 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果曲線

5 實(shí)驗效果分析

課程設(shè)計的考核方式為報告加答辯。學(xué)生以組為單位，輪流回答2～3個與實(shí)驗相關(guān)的問題，包括實(shí)驗原理、實(shí)際操作、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、理論基礎(chǔ)、團(tuán)隊中所負(fù)責(zé)的工作等各個方面。結(jié)合實(shí)驗報告的撰寫情況與個人在課程設(shè)計中的參與度，以百分制給出最后考核分?jǐn)?shù)。

采用傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)，針對學(xué)生的考核結(jié)果與平時做實(shí)驗的情況，存在如下不足：

（1）團(tuán)隊整體參與度不高，由于傳統(tǒng)實(shí)驗中每項工作必須一項一項輪流完成，并且實(shí)現(xiàn)難度不大，因此每組基本上只有固定的少數(shù)幾個學(xué)生在參與。

（2）實(shí)驗完成所需時間較短，為期兩周的課程設(shè)計，大部分組一周即可完成。

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

（4）實(shí)驗報告抄襲情況嚴(yán)重。

在往屆課程設(shè)計中，本校電氣工程與自動化專業(yè)的學(xué)生采用了新的實(shí)驗教學(xué)方法，相對傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)，新的實(shí)驗教學(xué)效果對于如表1所示。

表1 實(shí)驗效果對比

6 結(jié)束語

本文以雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)分析了如何以傳統(tǒng)實(shí)驗內(nèi)容為基礎(chǔ)，融入應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，強(qiáng)調(diào)“實(shí)踐+創(chuàng)新”的實(shí)驗教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。以學(xué)生反饋情況來看，實(shí)驗改革效果較好。唯一的不足是實(shí)驗教師工作量增加。

參考文獻(xiàn)

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

［2］米潔，高宏.課程—實(shí)踐—創(chuàng)新相輔相成的教學(xué)模式改革［J］.實(shí)驗室研究與探索，2015（2）:167-170.

［3］劉恒娟.基于MCGS的單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.貴州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010（4）:74-76.

［4］羅小虎，發(fā)發(fā)，毛先萍. 基于MCGS的雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（2）:240.

［5］北京昆侖通態(tài)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計［J］.實(shí)驗室研究與探索，2015（1）:87-91.

圖書館建設(shè)

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(shí)驗師。

基金項目：2014 年廣東省“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”專業(yè)綜合改革和應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范專業(yè)項目；佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”教學(xué)改革項目——優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊。