魏秋月 劉 穎 沈建冬

西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 陜西西安 710121

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，以及碩士研究生教育結(jié)構(gòu)向以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略性調(diào)整政策的進(jìn)一步實(shí)施，對(duì)應(yīng)用型、高層次專門人才的需求，在規(guī)模和質(zhì)量方面，都有更大的需求和更迫切的愿望。高級(jí)過(guò)程控制課程是西安郵電大學(xué)及許多省屬高校控制工程專業(yè)學(xué)位碩士普遍開(kāi)設(shè)的一門實(shí)踐課程，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用性。因此，如何采用更有效的教學(xué)方法，提升本實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析和采用工程案例教學(xué)的必要性

我?？刂乒こ虒I(yè)學(xué)位碩士培養(yǎng)方案中該課程的目標(biāo)是：通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生深入理解工業(yè)高級(jí)過(guò)程控制的系統(tǒng)概念，掌握工業(yè)過(guò)程控制中幾個(gè)成熟且行之有效的高級(jí)控制算法的程序設(shè)計(jì)、參數(shù)整定與調(diào)試方法，同時(shí)掌握相應(yīng)控制器以及儀表的選型原則和使用方法。

可編程控制器(PLC)以其高可靠性、維護(hù)方便的特點(diǎn)，在許多工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。因此，本課程主要以PLC為控制核心，而且學(xué)生對(duì)PLC的原理、結(jié)構(gòu)和初級(jí)編程在本科階段已有所學(xué)習(xí)，比較適合構(gòu)建高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)。由于本科的學(xué)習(xí)普遍和實(shí)際工程的結(jié)合甚少，且研究生的課時(shí)又不多，所以此課程一直以來(lái)都是采用單元化、模塊化的教學(xué)方法，針對(duì)重要的知識(shí)點(diǎn)設(shè)置內(nèi)容。這種方法能夠覆蓋必要的知識(shí)點(diǎn)，但系統(tǒng)性和整體性欠佳，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)作用有限。因此，有必要探索高級(jí)過(guò)程控制的案例教學(xué)，將案例介紹和分析過(guò)程流程化與規(guī)范化，為學(xué)生提供更多的標(biāo)準(zhǔn)化典型案例，使學(xué)生在不斷更新的、接近工程實(shí)踐的教學(xué)環(huán)境中學(xué)習(xí)高級(jí)過(guò)程控制相關(guān)技術(shù)，更快地接受相關(guān)理論知識(shí)，提升工程實(shí)踐能力。

2 案例選取的一般原則

2.1 真實(shí)性原則[1]

目前，控制工程專業(yè)碩士生大都是“從學(xué)校到學(xué)?！钡膽?yīng)屆生，缺乏一定的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，真實(shí)的工程案例可以很大程度上激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的探究興趣，增強(qiáng)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的積極性，更有信心地完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。只有在真實(shí)的案例中才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力[2]。

2.2 典型性原則

案例很多，但由于課時(shí)限制，無(wú)法一一呈現(xiàn)，因此需要篩選那些知識(shí)點(diǎn)比較全面且具有典型性和代表性的案例，這樣才能在學(xué)習(xí)過(guò)程中由解決一個(gè)問(wèn)題推到解決一類問(wèn)題。

2.3 難易適度原則[3]

案例的選擇應(yīng)考慮到學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，包含的知識(shí)點(diǎn)不能過(guò)于復(fù)雜，涉及的其他學(xué)科知識(shí)不能太多。否則，會(huì)使學(xué)生覺(jué)得問(wèn)題成堆甚至產(chǎn)生畏難情緒，導(dǎo)致分析、討論難以有效進(jìn)行。

2.4 系統(tǒng)性原則[4]

基于模塊化的教學(xué)方法，只能夠覆蓋必要的知識(shí)點(diǎn)，很難達(dá)到綜合性的教學(xué)要求，這就需要教師對(duì)案例進(jìn)行整合，使案例內(nèi)容系統(tǒng)完整地反映教學(xué)內(nèi)容。

基于以上原則，我們從近年來(lái)的教師科研項(xiàng)目和教學(xué)實(shí)踐中篩選出8個(gè)典型工程案例，用于高級(jí)過(guò)程控制課程的案例教學(xué)。

3 教學(xué)案例的設(shè)計(jì)與實(shí)施

案例篩選之后，需要精心設(shè)計(jì)每個(gè)案例。案例教學(xué)不是簡(jiǎn)單的例子教學(xué)。案例教學(xué)最重要的環(huán)節(jié)是教學(xué)過(guò)程的合理設(shè)計(jì)。通過(guò)分析教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)科學(xué)的思考問(wèn)題，提供啟發(fā)性的分析路徑解決問(wèn)題或得出合理的答案，最終使案例教學(xué)得以有效實(shí)施。

高級(jí)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)了“豎直雙容水箱對(duì)象特性測(cè)試(實(shí)物)”“雙容豎直水箱液位調(diào)節(jié)閥PID控制(實(shí)物)”“鍋爐汽包水位單沖量控制(鍋爐為仿真鍋爐，下同)”“鍋爐汽包水位前饋—反饋雙沖量控制”“鍋爐燃料—風(fēng)量比值控制”“電阻爐溫度控制系統(tǒng)控制器算法研究(仿真)”“電阻爐溫度控制系統(tǒng)控制器算法研究(實(shí)物)” “精煉爐底吹氬模糊控制系統(tǒng)(實(shí)物)”等8個(gè)教學(xué)案例。下面以3個(gè)具體實(shí)例說(shuō)明案例教學(xué)在該課程中的設(shè)計(jì)和實(shí)施。所有案例在實(shí)施的前一周，教師將案例下發(fā)每個(gè)學(xué)生，學(xué)生仔細(xì)閱讀案例，查閱資料，初步形成關(guān)于案例中的問(wèn)題的原因分析和解決方案。

案例一：雙容豎直水箱液位調(diào)節(jié)閥PID控制。該案例是利用現(xiàn)有教學(xué)材料自制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)由中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱組成。儲(chǔ)水箱中的水由微型增壓泵加壓后，經(jīng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入中水箱，再依次進(jìn)入下水箱和儲(chǔ)水箱形成水循環(huán)。中水箱和下水箱之間的管道、下水箱和儲(chǔ)水箱之間的管道分別安裝有手閥。負(fù)載的大小通過(guò)調(diào)節(jié)手閥的開(kāi)度模擬。以西門子S7-1200系列PLC(CPU 1214C)為控制器，采用PID調(diào)節(jié)，控制下水箱液位使之穩(wěn)定在設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)誤差＜5%。為了幫助學(xué)生快速理解實(shí)物系統(tǒng)，雙容豎直水箱液位的組態(tài)畫(huà)面事先已由教師完成。

本案例按照信息的采集、轉(zhuǎn)換以及控制輸出設(shè)計(jì)教學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)中信息的來(lái)源、處理以及控制決策有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。

信息采集設(shè)置1個(gè)思考題：請(qǐng)選擇合適的檢測(cè)儀表，測(cè)量水箱液位。該問(wèn)題培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的變送器知識(shí)，針對(duì)具體的被控對(duì)象選擇合適的功能、量程以及精度的液位變送器。案例實(shí)施的時(shí)候，學(xué)生首先進(jìn)行分組討論，討論采用什么原理進(jìn)行液位的測(cè)量、量程和精度如何選擇、選擇接觸式還是非接觸式等問(wèn)題。討論后每組學(xué)生給出一個(gè)方案并進(jìn)行講解。教師對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的方案。學(xué)生通過(guò)分組討論、方案設(shè)計(jì)加深了對(duì)液位信號(hào)檢測(cè)方法的深入理解，通過(guò)教師分析，學(xué)生的理解會(huì)更加深刻。

信息轉(zhuǎn)換設(shè)置2個(gè)思考題。思考題1：I/V轉(zhuǎn)換問(wèn)題。液位變送器的輸出為4～20 mA的電流，而CPU1214C的模擬輸入為 0～10 V的電壓信號(hào)，如何將電流轉(zhuǎn)換為電壓以滿足CPU對(duì)輸入信號(hào)的要求？在案例實(shí)施的時(shí)候，學(xué)生需討論的內(nèi)容包括采用什么原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換、自行搭建轉(zhuǎn)換電路還是選擇I/V轉(zhuǎn)換隔離模塊等。討論后教師對(duì)學(xué)生的方案分析優(yōu)缺點(diǎn)，得出適用于工業(yè)過(guò)程控制的最優(yōu)方案。學(xué)生通過(guò)分組討論、方案設(shè)計(jì)以及教師分析，對(duì)I/V轉(zhuǎn)換的必要性和方法都有了深入的理解。思考題2：工程量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。液位信號(hào)在CPU中以無(wú)量綱的數(shù)字量存儲(chǔ)，那么該信號(hào)如何以工程量(本案例的工程量范圍為0～100.0)在組態(tài)畫(huà)面中顯示呢？通過(guò)該問(wèn)題的討論以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生不但深入理解了工程量轉(zhuǎn)換的意義，明確了其與儀表量程、量程是否為線性以及A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量有關(guān)，也掌握了不同信號(hào)的工程量轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)方法。

控制輸出設(shè)置1個(gè)思考題：PID(Proportion Integral Differential )算法的選擇與參數(shù)整定問(wèn)題。PID是應(yīng)用最為廣泛的一種過(guò)程參數(shù)控制算法，具有結(jié)構(gòu)靈活，參數(shù)整定方便的特點(diǎn)。PID算法是按照設(shè)定值與轉(zhuǎn)換后的工程量的偏差的比例、積分和微分進(jìn)行運(yùn)算，得到的結(jié)果用于控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。實(shí)施時(shí)，學(xué)生首先討論選用哪種結(jié)構(gòu)、形式的PID算法以及原因，討論P(yáng)ID參數(shù)的整定方法以及使用條件，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生嘗試不同的工程整定法整定參數(shù)。反復(fù)整定參數(shù)，直到滿足控制指標(biāo)為止。

此案例的難點(diǎn)是工程量轉(zhuǎn)換和PID算法的參數(shù)整定問(wèn)題。由于大多數(shù)學(xué)生本科階段對(duì)工程量轉(zhuǎn)換還只是概念上的認(rèn)識(shí)，案例討論時(shí)常常找不準(zhǔn)對(duì)應(yīng)關(guān)系導(dǎo)致推導(dǎo)出錯(cuò)。PID參數(shù)的整定需要在熟悉比例、積分、微分作用的基礎(chǔ)上反復(fù)耐心地進(jìn)行，且學(xué)生普遍缺少工程經(jīng)驗(yàn)使得最佳參數(shù)的獲得需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

案例二：鍋爐汽包水位單沖量控制。汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，汽水分離是汽包的重要作用之一。保證水位在一定范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。水位的過(guò)高、過(guò)低都會(huì)給鍋爐及蒸汽用戶的安全操作帶來(lái)不利的影響。該案例以西門子S7-400 PLC為控制器，在了解工業(yè)鍋爐汽包水位基礎(chǔ)上，確定仿真鍋爐的汽包水位單沖量控制系統(tǒng)實(shí)施方案，整定控制系統(tǒng)參數(shù)，分析控制效果。該案例從分析影響汽包水位的主要因素入手設(shè)置以下思考題。思考題1：分析影響汽包水位的主要因素。該問(wèn)題需要分析3個(gè)主要因素對(duì)水位干擾的動(dòng)態(tài)特性，了解出現(xiàn)“虛假水位”的原因。思考題2：在PCS7中構(gòu)建仿真鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)。單沖量即單回路。其中給水流量為操縱變量、汽包水位為被控變量，主要干擾為蒸汽流量，并使用SFC和CFC編寫(xiě)程序。思考題3：整定汽包水位單沖量控制器PID參數(shù)，測(cè)試、分析控制效果以及單沖量控制系統(tǒng)的不足。

該案例在實(shí)施的時(shí)候，每組學(xué)生首先對(duì)思考題進(jìn)行討論，給出一個(gè)方案并進(jìn)行講解。教師對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行分析、修正，最后學(xué)生以組為單位整定控制系統(tǒng)參數(shù)，測(cè)試控制效果，并分析單沖量控制系統(tǒng)的不足，為案例三的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

案例三：針對(duì)案例二中汽包水位單沖量控制系統(tǒng)的不足，構(gòu)建前饋—反饋控制系統(tǒng)。單沖量控制系統(tǒng)雖能夠克服多種擾動(dòng)，但不能克服由主要擾動(dòng)蒸汽負(fù)荷變化所引起的虛假水位。通過(guò)分析此不足，教師首先引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)主要擾動(dòng)—蒸汽流量的變化構(gòu)建前饋控制，控制給水閥，調(diào)節(jié)給水量。由此設(shè)置3個(gè)思考題。思考題1：分析前饋控制的特點(diǎn)。思考題2：前饋控制中為什么擾動(dòng)必須可測(cè)？思考題3：為什么靜態(tài)前饋是當(dāng)前應(yīng)用最多、實(shí)施最方便的前饋控制？其控制器是PID控制中的哪種結(jié)構(gòu)形式？因?yàn)橹安殚喠讼嚓P(guān)資料，學(xué)生通過(guò)分組討論很快對(duì)3個(gè)問(wèn)題有了明確的認(rèn)識(shí)。在分析前饋控制的特點(diǎn)時(shí)，學(xué)生們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，蒸汽流量前饋控制能夠提前發(fā)現(xiàn)蒸汽負(fù)荷的變化，糾正虛假水位引起的誤動(dòng)作，但對(duì)于克服其他干擾卻無(wú)能為力，而反饋回路能夠抑制其他干擾。由此，教師引出思考題4和5引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建汽包水位前饋—反饋控制系統(tǒng)。思考題4：分析、構(gòu)建前饋—反饋控制系統(tǒng)。有案例二做基礎(chǔ)，學(xué)生很容易理解鍋爐汽包水位前饋—反饋控制的必要性，也不難畫(huà)出汽包水位前饋—反饋控制的控制框圖。反饋回路中被控變量為汽包水位信號(hào)，該信號(hào)由系統(tǒng)輸出端返回輸入端，與汽包水位設(shè)定值比較后的偏差作為反饋控制器的輸入。蒸汽流量為前饋控制器的輸入，前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出相加后作用于給水調(diào)節(jié)閥。思考題5：前饋—反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及控制效果測(cè)試。這一步需要對(duì)前饋控制器和反饋控制器的參數(shù)分別整定。前饋控制器的參數(shù)即比例系數(shù)，工程實(shí)際中一般采用開(kāi)環(huán)整定和閉環(huán)整定2種方法，應(yīng)鼓勵(lì)不同組的學(xué)生嘗試不同的方法。反饋控制器的參數(shù)在案例二中已經(jīng)整定。

案例二和案例三都在PCS7編程環(huán)境中實(shí)施。由于課時(shí)有限，重點(diǎn)可以放在汽包水位控制系統(tǒng)單沖量、前饋—反饋雙沖量控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)整定上，儀表的選型以及上位機(jī)畫(huà)面組態(tài)可以不做要求，由教師提供。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施高級(jí)過(guò)程控制課程的案例教學(xué)，我?？刂乒こ虒I(yè)的研究生在近似真實(shí)的學(xué)習(xí)模式下，深刻地體驗(yàn)到理論知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生思考問(wèn)題的積極性，工程實(shí)踐能力得到了切實(shí)的提升，知識(shí)的系統(tǒng)性也得到了加強(qiáng)。案例的實(shí)踐是一個(gè)不斷探索的過(guò)程，教師要結(jié)合案例教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，不斷完善和更新案例，除了自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，應(yīng)盡可能利用好校企平臺(tái)，力求開(kāi)發(fā)出優(yōu)質(zhì)的教學(xué)案例，同時(shí)提升自己開(kāi)展案例教學(xué)的能力，讓控制工程專業(yè)研究生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到更加有效的培養(yǎng)。