盧潔瑩

摘? 要 結(jié)合實(shí)際工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化過程控制技術(shù)，針對(duì)過程控制工程實(shí)驗(yàn)課程提出在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上加入網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體方案。目的是為學(xué)生提供一個(gè)綜合運(yùn)用PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制算法，自行探索設(shè)計(jì)控制器，并結(jié)合CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)能對(duì)系統(tǒng)溫度、液位、壓力等參數(shù)進(jìn)行有效控制的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過增加開放性網(wǎng)絡(luò)化過程控制實(shí)驗(yàn)，豐富過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并實(shí)現(xiàn)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)化控制;過程控制工程實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)平臺(tái);控制器

Abstract A plan is proposed to set up a networked process control experiment for the undergraduate course process control experiment. This experiment is an open experiment platform in which the net-work control technology， widely used in process industries， is applied to the existing experimental equipment in the course. The purpose is to provide the students a networked experimental environment where they can use PID control， fuzzy control， adaptive control and some other control algorithms to design a feedback control system and use the CAN network and embedded technology to implement networkedprocess control systems. This open networked process control experi-ment can enrich the context of the course process control experiment and provide a more open experiment platform to students in develo-ping their research interests and technical skills.

Key words network control; process control engineering experi-ment; experi-ment platform; controller

1 前言

“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”是許多高校自動(dòng)化專業(yè)的必修課程，主要教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生在過程控制方面的基本工程能力，包括過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和分析等[1]。目前的“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”課程著重于過程控制系統(tǒng)的儀表特性分析、PID控制器原理和設(shè)計(jì)方法。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)在工業(yè)控制中得到十分廣泛的應(yīng)用[2]，在國內(nèi)外高校中，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)也逐漸進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室[3-5]。為了讓學(xué)生能適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，掌握更加先進(jìn)的控制理論和技術(shù)，使所學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)有的實(shí)際工業(yè)控制技術(shù)接軌，必須對(duì)傳統(tǒng)“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”課程內(nèi)容進(jìn)行適合技術(shù)進(jìn)步的改革，在課程中加入網(wǎng)絡(luò)化控制的新技術(shù)、新方法，同時(shí)進(jìn)一步增加實(shí)驗(yàn)課程的開放性，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從實(shí)際工程的角度去分析問題、解決問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的能力、工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和實(shí)施能力，體驗(yàn)自動(dòng)化專業(yè)的前沿技術(shù)。

2 過程控制工程實(shí)驗(yàn)課程的背景

“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”的重要性? 我國正在大力推進(jìn)“中國制造2025計(jì)劃”，在這個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)代，對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)提出新的要求[6]。自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該是具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)、全面的知識(shí)儲(chǔ)備、較強(qiáng)的工程適應(yīng)能力等的復(fù)合型人才。因此，實(shí)踐應(yīng)用課程體系的科學(xué)與否，將直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量。

華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程主要分為兩類：

1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、模擬電子、數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)等;

2）專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)課程，如過程控制工程實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。

其中專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)課程是專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際工程系統(tǒng)之間的橋梁。在傳統(tǒng)的課程體系中，這些實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，每一門實(shí)驗(yàn)課僅針對(duì)某一個(gè)方面的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。如“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”的主要內(nèi)容是關(guān)于工業(yè)過程中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)空前發(fā)達(dá)的今天，這類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的知識(shí)架構(gòu)與內(nèi)容顯得過于單一。從自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)的發(fā)展來看，控制器的實(shí)現(xiàn)手段已從模擬儀表為基礎(chǔ)的簡單反饋系統(tǒng)發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字控制系統(tǒng)，同時(shí)控制算法也越來越多樣化。因此，這類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程也被賦予更多的內(nèi)涵，課程內(nèi)容也越來越具有交叉性和綜合性。如果對(duì)課程內(nèi)容和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行合理配置，將有助于學(xué)生全面理解過程控制領(lǐng)域的核心知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)以及與其他課程之間的相關(guān)性，同時(shí)為高年級(jí)本科生提供一個(gè)適合時(shí)代和技術(shù)發(fā)展的開放性研究平臺(tái)。

“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題? 在近年來的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)整個(gè)教學(xué)過程存在下面一些問題。

1）教學(xué)方式固化。在目前的“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)課程中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占主導(dǎo)地位，按照“結(jié)論—驗(yàn)證—應(yīng)用”的模式來進(jìn)行，學(xué)生按部就班地按照教師的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致積極性不高，缺乏自己的思考，主觀能動(dòng)性不能得到充分發(fā)揮。

2）課程內(nèi)容、操作方法單一。從圖1可以看到，“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”的主要內(nèi)容是不同對(duì)象的特性測試和單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（包括溫度、液位、流量等）以及串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等，這些內(nèi)容主要還是圍繞PID參數(shù)的選取和調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)的基本原理是類似的，實(shí)驗(yàn)操作方法也較為單一。而且課程中所涉及的知識(shí)點(diǎn)比較獨(dú)立，學(xué)生很難通過實(shí)驗(yàn)將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。

針對(duì)上述問題，設(shè)想設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性更高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生以該平臺(tái)為基礎(chǔ)，自己設(shè)計(jì)并搭建一個(gè)完整的微型網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)。

3 網(wǎng)絡(luò)化過程控制實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

為了加強(qiáng)各門課程之間知識(shí)的融合，兼顧課程內(nèi)容的全面性和獨(dú)立性，同時(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，熟悉和掌握目前實(shí)際工業(yè)控制中所用的先進(jìn)控制理論和方法，對(duì)傳統(tǒng)的“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行創(chuàng)新勢在必行，這也是高校課程改革和發(fā)展的必然要求[7-8]。在“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”中引入網(wǎng)絡(luò)化控制的概念、系統(tǒng)構(gòu)架、設(shè)計(jì)案例和實(shí)現(xiàn)手段，讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的控制分析設(shè)計(jì)方法、信息處理技術(shù)、嵌入式單片機(jī)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等方面的知識(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化過程控制的系統(tǒng)框架、控制器算法等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)? 在“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”課程中以原有的過程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象為基礎(chǔ)，加入網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與嵌入式單片機(jī)技術(shù)，構(gòu)建如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。主機(jī)通過CAN總線與多臺(tái)嵌入式單片機(jī)進(jìn)行連接通信，這些嵌入式單片機(jī)之間也可以通過CAN總線進(jìn)行通信與信息交互。嵌入式單片機(jī)與被控對(duì)象（如液位、溫度、流量等）構(gòu)成單回路數(shù)字控制系統(tǒng)，同時(shí)多個(gè)被控對(duì)象之間可通過物理連接（如多級(jí)水箱）構(gòu)成多回路系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)構(gòu)架的特點(diǎn)是通過CAN總線技術(shù)將原來實(shí)驗(yàn)中的單回路系統(tǒng)集成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，這一構(gòu)架更能體現(xiàn)現(xiàn)代過程控制的特點(diǎn)和控制技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)生體驗(yàn)和嘗試構(gòu)建現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)提供了一個(gè)模板。另一方面用嵌入式單片機(jī)這一過程控制中的常用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基本控制單元，更符合技術(shù)發(fā)展的潮流，也為學(xué)生提供了實(shí)施控制算法的新途徑，便于學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中嘗試自適應(yīng)控制、智能控制、最優(yōu)控制等PID控制算法以外的現(xiàn)代方法。

具體實(shí)施? 網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)施可分為設(shè)備備置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)三個(gè)部分。

設(shè)備備置主要是對(duì)目前現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改造，包括以PC機(jī)為主節(jié)點(diǎn)，以CAN總線為基礎(chǔ)組成網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)架;以若干嵌入式單片機(jī)為子節(jié)點(diǎn)的單回路控制系統(tǒng)。子節(jié)點(diǎn)具有與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的執(zhí)行器、傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的能力、利用CAN總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的功能;主節(jié)點(diǎn)具有通過CAN總線與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的功能，同時(shí)具有人機(jī)交互功能。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1中所示，主要內(nèi)容可分為：以CAN總線為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)架;以嵌入式單片機(jī)為核心的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng);多樣化的系統(tǒng)建模、信號(hào)預(yù)處理、控制算法的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與調(diào)試;面向分布式控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)施過程中，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的開放性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作性和學(xué)生自主性[9]。在兩到三個(gè)月的規(guī)定時(shí)間段內(nèi)，學(xué)生分階段完成各項(xiàng)預(yù)設(shè)任務(wù)。教師在開放式教學(xué)過程中，以學(xué)生為中心，輔助學(xué)生開展試驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考、分析和解決問題。最后，學(xué)生在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成以網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的溫度、液位、壓力等多回路復(fù)雜控制系統(tǒng)，并嘗試適用各類先進(jìn)控制算法（如自適應(yīng)、智能、最優(yōu)控制等算法）。

網(wǎng)絡(luò)化過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢? 在過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)化控制的內(nèi)容，將進(jìn)一步豐富和完善過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，充分反映當(dāng)前控制技術(shù)的發(fā)展水平、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，拉近學(xué)生所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程系統(tǒng)的距離，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。如表2所示，“網(wǎng)絡(luò)化過程控制實(shí)驗(yàn)”與現(xiàn)有的課程進(jìn)行比較，在教學(xué)形式、教學(xué)管理和教學(xué)內(nèi)容等方面都有提高和進(jìn)步。從學(xué)生的反饋中來看，“網(wǎng)絡(luò)化過程控制實(shí)驗(yàn)”讓他們接觸到實(shí)際工業(yè)中的先進(jìn)控制算法以及平臺(tái)搭建的相關(guān)知識(shí)。通過開放式的教學(xué)模式，讓學(xué)生不再單純地進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，而是通過小組合作的形式，學(xué)會(huì)自己思考問題、解決問題。

4 結(jié)語

對(duì)“過程控制工程實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行改革，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上融入網(wǎng)絡(luò)化控制的內(nèi)容，在教學(xué)形式上將學(xué)生作為主體，實(shí)現(xiàn)開放式教學(xué)。這樣不僅改變了傳統(tǒng)過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一的現(xiàn)狀，而且學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，能有效地將各類專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，鍛煉實(shí)際操作能力，還接觸到更加先進(jìn)、與實(shí)際工業(yè)控制接軌的控制技術(shù)。因此，在過程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)化控制的內(nèi)容是自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)課程改革的趨勢，也是對(duì)培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才的必然要求。

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