盧潔瑩，蘇為洲

（華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

隨著德國“工業(yè)4.0”“中國制造2025”等概念的提出，工業(yè)技術(shù)實現(xiàn)了飛躍式發(fā)展，代表“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能生產(chǎn)也應(yīng)運(yùn)而生。為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，2017 年以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，對高校提出了以“新工科”理念為先導(dǎo)，開展多樣化探索，形成有特色的工程教育模式的要求[1]。在這樣的時代背景下，過程控制技術(shù)作為工業(yè)生產(chǎn)中的一項重要技術(shù)，將傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，能進(jìn)一步強(qiáng)化國家工業(yè)基礎(chǔ)、提高制造業(yè)的創(chuàng)新能力。

“過程控制系統(tǒng)實驗”課程融合了控制理論、生產(chǎn)工藝、計算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等方面的知識。傳統(tǒng)的“過程控制系統(tǒng)實驗”課程主要包括對象特性測試實驗、單回路實驗及串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定實驗等。在對象特性測試實驗中，被控對象的數(shù)學(xué)模型建立是一項重要內(nèi)容[2]。在控制系統(tǒng)方案設(shè)計中，各個儀表裝置的選型、控制器參數(shù)的選擇等都是以被控對象的動態(tài)特性為依據(jù)的。因此被控對象特性對于控制系統(tǒng)方案設(shè)計、儀表選型、控制器參數(shù)調(diào)節(jié)以及控制性能分析和改善都具有極為重要的意義[2-3]。而要精確描述被控過程的動態(tài)特性，就需要建立數(shù)學(xué)模型[4]。在傳統(tǒng)的“過程控制系統(tǒng)實驗”課程中，有關(guān)被控對象模型辨識與建模的內(nèi)容較少且不深。經(jīng)過課程改革后，我們增加了過程控制系統(tǒng)辨識實驗，將不同的辨識方法運(yùn)用到實驗課程中，鼓勵學(xué)生利用仿真軟件等對控制系統(tǒng)的被控對象進(jìn)行建模，同時還要求對所建立的模型進(jìn)行有效性驗證和定量分析，加強(qiáng)了課程內(nèi)容的綜合性和探索性。

翻轉(zhuǎn)課堂從美國傳入國內(nèi)已有十多年，其核心是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓學(xué)生在課前通過觀看視頻等方式自主學(xué)習(xí)主要的知識點(diǎn)，然后在課堂上教師與學(xué)生互動交流、對學(xué)生答疑解惑，學(xué)生在課余時間利用互聯(lián)網(wǎng)、微課等信息手段進(jìn)行知識拓展并及時反饋學(xué)習(xí)效果[5-7]。翻轉(zhuǎn)課堂注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)、交流和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提倡個性化教學(xué)，有助于學(xué)生知識的內(nèi)化，提高學(xué)生課堂參與度[7]。

對于“過程控制系統(tǒng)實驗”這門實踐性與綜合性較強(qiáng)的課程，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式尤其適用，因為翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)調(diào)以問題為導(dǎo)向，以任務(wù)為驅(qū)動，這與該課程的實驗教學(xué)目標(biāo)十分契合。本文將介紹過程控制系統(tǒng)辨識實驗以及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在其中的應(yīng)用，探討如何通過豐富傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)實驗的教學(xué)內(nèi)容和更新教學(xué)模式，提高學(xué)生實踐水平和實驗教學(xué)效果。

1 過程控制系統(tǒng)辨識實驗課程概述

1.1 過程控制系統(tǒng)辨識實驗背景及重要性

過程控制系統(tǒng)由各類自動化儀表、裝置以及被控過程組成，系統(tǒng)的控制質(zhì)量與被控對象的動態(tài)特性有密切關(guān)系。在許多實際的過程控制工業(yè)系統(tǒng)中，被控過程的動態(tài)特性是未知的，需要用數(shù)學(xué)模型來建立系統(tǒng)特性的定量依存關(guān)系。

圖1 被控對象建模方法

如圖1 所示，被控對象數(shù)學(xué)模型建立的基本方法主要有機(jī)理法和測試法。機(jī)理法主要是根據(jù)對生產(chǎn)過程機(jī)理的了解，準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)語言加以描述，這需要有充分的先驗知識。當(dāng)用機(jī)理法建模出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況時，可以使用測試法進(jìn)行建模，即通過被控過程的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算，估計出系統(tǒng)的模型。測試法相對于機(jī)理法對于復(fù) 雜的生產(chǎn)過程更有優(yōu)勢，主要分為經(jīng)典辨識法和現(xiàn)代辨識法。經(jīng)典辨識法包括時域法、頻域法和統(tǒng)計相關(guān)法等，現(xiàn)代辨識法包括最小二乘法、梯度校正法、極大似然法等[2-3,8-9]。考慮目前在工業(yè)中應(yīng)用的廣泛性以及在實驗室的可操作性等因素，在實驗課程中要求學(xué)生使用經(jīng)典辨識法中的階躍響應(yīng)曲線法、偽隨機(jī)響應(yīng)法、最小二乘法等來對一個雙容水箱以及某個實際的高階系統(tǒng)進(jìn)行建模[10-12]。

在過程控制系統(tǒng)實驗中引入系統(tǒng)辨識的相關(guān)內(nèi)容，不僅能強(qiáng)化學(xué)生對于系統(tǒng)辨識理論知識的理解和掌握，還能使學(xué)生將所學(xué)知識與實際的工業(yè)應(yīng)用接軌，真正做到將實驗課程內(nèi)容與實際應(yīng)用相聯(lián)系。

1.2 實驗內(nèi)容

本實驗分為三部分。第一部分用 MATLAB 中Simulink 工具箱構(gòu)建計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括輸入信號、被控對象數(shù)據(jù)采集等。使學(xué)生從計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架來理解實驗系統(tǒng)，同時彌補(bǔ)實驗系統(tǒng)中計算機(jī)控制部分不對學(xué)生開放的缺陷。用Simulink 工具箱構(gòu)建的雙容水箱計算機(jī)控制系統(tǒng)開環(huán)部分如圖2所示。當(dāng)時間常數(shù)確定后，在輸入端加入階躍信號，在輸出端即可獲得系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。

圖2 雙容水箱的Simulink 開環(huán)部分

圖3 過程控制仿真系統(tǒng)

第二部分是雙容水箱建模，在某品牌的過程控制仿真系統(tǒng)上進(jìn)行。如圖3 所示，仿真系統(tǒng)設(shè)有各種過 程控制器件，包括溫度變送器、液位變送器、壓力變送器、調(diào)節(jié)器、電動調(diào)節(jié)閥、水泵等，還設(shè)置了兩條動態(tài)流水的管道。學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)上將不同的調(diào)節(jié)器、被控對象以及執(zhí)行裝置接線來搭建不同的控制系統(tǒng)。同時，仿真系統(tǒng)通過直流電壓進(jìn)行供電，并通過RS232 接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)安裝的力控軟件設(shè)置了過程曲線的采集功能，可以直觀地觀察被控變量的變化以及采集輸入輸出數(shù)據(jù)，力控界面如圖4 所示。

圖4 過程控制仿真系統(tǒng)力控軟件界面

在實驗中，學(xué)生按照圖5 所示的雙容液位流程圖進(jìn)行接線，然后在系統(tǒng)開環(huán)的情況下（即斷開液位變送器這一反饋回路），輸入一個階躍信號，得到相應(yīng)的輸出響應(yīng)。圖6 為學(xué)生在上位機(jī)的力控軟件上獲取的雙容水箱階躍響應(yīng)曲線。

圖5 雙容液位流程圖

圖6 雙容水箱系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗曲線

根據(jù)這一實驗曲線以及輸入輸出數(shù)據(jù)，可以利用階躍響應(yīng)建模法建立傳遞函數(shù)（s是拉式變換后的復(fù)變量）。然后根據(jù)實驗得到的水箱時間常數(shù)，利用Simulink 計算水箱階躍響應(yīng)的仿真曲線（即理論結(jié)果），并通過對比這一理論結(jié)果與實驗結(jié)果的吻合程度來驗證模型的有效性。

圖7 是雙容水箱階躍響應(yīng)理論結(jié)果與實驗結(jié)果在MATLAB 中的對比圖。從圖中可以看到，階躍響應(yīng)曲線的理論曲線與實驗曲線具有良好的擬合程度，說明用二階線性系統(tǒng)描述雙容水箱模型的合理性和有效性。

圖7 雙容水箱模型的時域驗證

第三部分為實驗結(jié)果的頻域分析。利用過程控制理論課程中講授的相關(guān)性分析方法，驗證實驗中得到的水箱時間常數(shù)和模型的有效性。這一內(nèi)容的主要目的是，用不同的理論方法對實驗結(jié)果進(jìn)行交叉驗證，加大學(xué)生對知識點(diǎn)理解的廣度和深度。由于過程控制仿真實驗平臺無法對系統(tǒng)輸入偽隨機(jī)信號，所以這部分工作用MATLAB 完成。具體做法是在上述Simulink仿真結(jié)構(gòu)中輸入偽隨機(jī)信號，得到系統(tǒng)的偽隨機(jī)響應(yīng)，然后根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號的自相關(guān)和互相關(guān)序列，求解輸入輸出自相關(guān)譜密度函數(shù)和互相關(guān)譜密度函數(shù)，進(jìn)而得到系統(tǒng)幅頻特性的數(shù)值解，最后與所建立的模型的頻率特性進(jìn)行對比。

從圖8 所示的對比圖可以看出，根據(jù)模型傳遞函數(shù)得到的幅頻特性與用相關(guān)性分析得到的幅頻特性基本吻合。說明對于雙容水箱這一被控對象來說，階躍響應(yīng)法是一個較好的建模方法。

為使學(xué)生對計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和建模過程有更深入的理解，對實驗課程內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展和提升。借用某科研項目的實驗平臺，讓學(xué)生在實際系統(tǒng)上操作基于相關(guān)性分析和偽隨機(jī)響應(yīng)的建模過程。學(xué)生根據(jù)某實際高階系統(tǒng)的一組偽隨機(jī)響應(yīng)輸入輸出數(shù)據(jù)，利用MATLAB 進(jìn)行系統(tǒng)辨識。學(xué)生可自行選擇利用MATLAB 中的系統(tǒng)辨識工具箱或者最小二乘法等辨識方法來進(jìn)行辨識，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型并進(jìn)行驗證。圖9 和圖10 分別為學(xué)生的實際數(shù)據(jù)及辨識 模型的時域階躍響應(yīng)對比和頻域?qū)Ρ取膱D9 可以看出，辨識模型和實際數(shù)據(jù)的階躍響應(yīng)曲線基本一致。同樣，在圖10 所示的頻域?qū)Ρ戎?，辨識模型也將對象的主諧振峰和次諧振峰較為精確地辨識出來了。

圖8 雙容水箱模型的頻域驗證

圖9 某實際高階系統(tǒng)的時域驗證

為了更好地分析所建模型的有效性，對模型與實驗數(shù)據(jù)的頻率特性給出一個定量的評估指標(biāo)，選擇N個頻率ω1,…,ω N，記實驗數(shù)據(jù)的幅頻特性在這些頻點(diǎn)上的取值為A(ω1),…,A(ωN)，同時實際系統(tǒng)模型的幅頻特性在這些頻點(diǎn)上的取值為。模型與實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)為：

圖10 某實際高階系統(tǒng)的頻域驗證

該相關(guān)系數(shù)反映了模型與實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)的擬合程度，當(dāng)二者完全一致時，γ=1，兩者相差越大，相關(guān)性系數(shù)γ就越小。對圖10 中的模型進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)求解得到γ=0.9832，辨識模型較為精確地刻畫了實際系統(tǒng)的特性。

由此可見，在過程控制系統(tǒng)辨識實驗課程中，無論是針對過程控制仿真系統(tǒng)中搭建的雙容水箱所采用的階躍響應(yīng)辨識法，還是實際的高階系統(tǒng)中基于偽隨機(jī)響應(yīng)的辨識法都具有很強(qiáng)的有效性和可操作性。學(xué)生通過該實驗，不僅能夠接觸到目前工業(yè)界先進(jìn)和實用的辨識算法，而且學(xué)會了如何對模型進(jìn)行時域和頻域驗證及進(jìn)行定量評估。

2 翻轉(zhuǎn)課堂實施

傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)實驗教學(xué)主要采用學(xué)生課前預(yù)習(xí)實驗參考書；課中教師講解示范，學(xué)生按照教師的要求做實驗；課后完成實驗報告這種模式。過程控制系統(tǒng)辨識的實驗內(nèi)容具有很強(qiáng)的綜合性和探索性，如果用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生很難對知識進(jìn)行消化理解，從而出現(xiàn)以下幾個問題：

（1）對計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實施理解不深；

（2）對實驗結(jié)果的分析過于簡單，與理論分析聯(lián)系不緊密；

（3）對過程控制課程中的理論方法運(yùn)用能力，特別是實驗結(jié)果的理論分析能力不強(qiáng)。

為了更好地豐富課程前后及課堂的教學(xué)活動，強(qiáng)化師生互動并激發(fā)學(xué)生興趣，保證學(xué)生學(xué)習(xí)的深入和高效，增強(qiáng)教學(xué)效果，在過程控制系統(tǒng)辨識實驗課程中采用了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式。

2.1 教學(xué)工作安排與實施

“過程控制系統(tǒng)”實驗課程針對大三年級自動化專業(yè)學(xué)生開展，每年授課人數(shù)在200 人左右。為了更好地開展實驗教學(xué)，實驗以3、4 人為一組分組進(jìn)行，并建立微信群，以方便師生在課前和課后的交流和討論。

具體的教學(xué)流程如圖11 所示，主要分為課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)及課后反饋三個階段。

圖11 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)流程

2.2 課前預(yù)習(xí)

在課前借助網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)，教師將課程的重要知識點(diǎn)和內(nèi)容安排以PPT 或視頻方式發(fā)給學(xué)生。

課前預(yù)習(xí)的主要內(nèi)容包括實驗平臺及研究背景。本文所提到的雙容水箱建模實驗是在某品牌過程控制仿真系統(tǒng)上進(jìn)行的，該系統(tǒng)通過計算機(jī)仿真技術(shù)，將各種過程物理對象轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型，然后開發(fā)出對象的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)動態(tài)模擬，達(dá)到與真實控制系統(tǒng)相一致，其界面如前述的圖3 和圖4。學(xué)生在預(yù)習(xí)階段應(yīng)熟悉仿真系統(tǒng)的接線及力控軟件的使用。同時，要提前了解計算機(jī)控制的結(jié)構(gòu)等知識，提前學(xué)習(xí)如何在Simulink 上搭建雙容水箱模型，以及如何獲取實驗數(shù)據(jù)等。

鑒于虛擬仿真系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的局限性，利用某科研項目實驗平臺進(jìn)一步拓寬了課程內(nèi)容。這部分拓展內(nèi)容對于學(xué)生來說具有一定的挑戰(zhàn)性，需要學(xué)生在課前預(yù)習(xí)關(guān)于系統(tǒng)辨識的相關(guān)知識，包括辨識輸入信號設(shè)計、采樣時間選擇、數(shù)據(jù)長度選擇、辨識方法以及模型驗證方法等。課前教師給學(xué)生提供一些相關(guān)的參考文獻(xiàn)、書籍以及視頻資料等，讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時借助微信群，師生之間、學(xué)生之間可以進(jìn)行討論和交流，提高學(xué)生課前自學(xué)的積極性和有效性。

2.3 課堂教學(xué)

在課堂上，首先針對學(xué)生課前預(yù)習(xí)所遇到的問題，以小組為單位進(jìn)行討論，并就如何設(shè)計實驗以完成系統(tǒng)辨識的方法進(jìn)行交流。在過程控制系統(tǒng)辨識實驗中，學(xué)生往往會提出如下問題：①如何在虛擬仿真系統(tǒng)上接線以構(gòu)建雙容水箱控制系統(tǒng)；②如何給系統(tǒng)輸入階躍信號來完成開環(huán)辨識的實驗；③偽隨機(jī)信號的生成問題；④如何寫最小二乘法辨識程序；⑤模型驗證方法的選擇與比較。針對這些問題，有的通過小組交流討論給出解決方案，有的通過師生問答獲得啟發(fā)。鼓勵學(xué)生在接下來的實驗過程中進(jìn)行嘗試和調(diào)整，以獲得不同的結(jié)果，而不是讓學(xué)生按標(biāo)準(zhǔn)方法或答案按部就班地完成。

在學(xué)生分組實驗過程中，教師將隨時關(guān)注學(xué)生的實驗動態(tài)并加以指導(dǎo)。因為學(xué)生在實驗過程中難免會出現(xiàn)一些錯誤，需要教師及時發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)他們改正，從而提高學(xué)生的實驗效率和效果。在本實驗中，學(xué)生往往會出現(xiàn)以下問題：①由于對虛擬仿真系統(tǒng)和力控軟件不熟悉，導(dǎo)致接線錯誤或者調(diào)節(jié)器等器件設(shè)置錯誤。此時教師需要對學(xué)生予以適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，同時鼓勵他們通過自行閱讀操作手冊進(jìn)行學(xué)習(xí)。②有的學(xué)生可能對MATLAB 軟件的使用不熟悉。雖然有關(guān)MATLAB的書很多，網(wǎng)上也有很多教程，但是有的學(xué)生比較盲目，不知從何學(xué)起，此時教師需要引導(dǎo)學(xué)生明確需學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并引導(dǎo)他們利用軟件自帶的help 功能進(jìn)行學(xué)習(xí)，教給學(xué)生自學(xué)的方式和方法。

2.4 課后反饋

學(xué)生完成實驗后要通過撰寫實驗報告進(jìn)一步拓展提高。在實驗報告中，要完整體現(xiàn)實驗?zāi)康摹嶒炘O(shè)備、實驗方法和過程、遇到的問題及解決方案等。同時強(qiáng)調(diào)，實驗報告中要有學(xué)生自己對于實驗內(nèi)容及方法的理解和認(rèn)識，重視對實驗結(jié)果的理論分析，而不僅僅是數(shù)據(jù)記錄和計算。對于學(xué)有余力的學(xué)生，要為他們提供開放實驗室進(jìn)行拓展創(chuàng)新實驗，并設(shè)有專門的教師提供指導(dǎo)。此外，鼓勵更多優(yōu)秀學(xué)生參與教師的“學(xué)生研究計劃”項目、進(jìn)入科研實驗室學(xué)習(xí)、參加各類競賽活動、申報學(xué)生創(chuàng)新性項目等。

在采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的同時，對于學(xué)生成績的考核方式也更加科學(xué)化和多樣化。實驗操作和考試不再作為唯一的評價依據(jù)，教學(xué)各個環(huán)節(jié)中所反映的自學(xué)能力、小組合作能力、思考與解決問題能力等也成為評價的內(nèi)容。實驗的最終成績由以下幾部分組成：課前預(yù)習(xí)自學(xué)情況15%；團(tuán)隊合作情況15%；實驗過程中分析和解決問題的能力25%；實驗報告撰寫的邏輯性、規(guī)范性、創(chuàng)新性20%；對實驗所得結(jié)果分析處理并提出進(jìn)一步提升改進(jìn)的方案25%。

在課程內(nèi)容上引入與實際工業(yè)技術(shù)接軌的辨識算法，是在原有基礎(chǔ)上對知識深度和廣度的拓展。在實驗教學(xué)中，將學(xué)生作為教學(xué)活動的主體和中心、強(qiáng)化師生互動等措施的采用，提高了課堂教學(xué)效率。此外，科學(xué)合理的考核體系也利于學(xué)生自行制定合理的學(xué)習(xí)計劃。

3 結(jié)語

為了響應(yīng)教育部“新工科”建設(shè)要求，促進(jìn)實驗課堂教學(xué)與先進(jìn)工業(yè)技術(shù)接軌，培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型的工程人才，對“過程控制系統(tǒng)實驗”進(jìn)行了改革，開展了基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的過程控制系統(tǒng)辨識實驗。首先以雙容水箱和科研項目中的某高階系統(tǒng)為研究對象，在過程控制虛擬仿真系統(tǒng)以及MATLAB 中，采用不同的辨識算法建立被控對象模型。并圍繞這一實驗內(nèi)容，構(gòu)建了過程控制系統(tǒng)辨識實驗的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力以及實踐能力，使學(xué)生對實際的工業(yè)控制過程有了更清晰的認(rèn)識，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維。采用翻轉(zhuǎn)課堂的“過程控制系統(tǒng)辨識實驗”課程得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可，實現(xiàn)了師生的共同進(jìn)步。