韓蕾，田靜，王霞，孟麗

（1.河北大學(xué)工商學(xué)院，河北保定，071000，2.河北大學(xué)電信學(xué)院，河北保定，071000）

0 引言

過程控制系統(tǒng)是自動(dòng)化、電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)一門學(xué)科交叉、工程性強(qiáng)的核心課程，為培養(yǎng)學(xué)生的工程概念和能力創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)條件[1]。過程控制實(shí)驗(yàn)是一門綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)傳感器并理解數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理，掌握系統(tǒng)的工作過程，提高解決工程實(shí)際問題的能力[2-3]。我院過程控制實(shí)驗(yàn)課程經(jīng)過多年的建設(shè)，積累了客觀的教學(xué)資源和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。目前來看，在以下兩個(gè)方面存在不足：（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一：實(shí)驗(yàn)教學(xué)均采用實(shí)物水箱來進(jìn)行，其缺點(diǎn)一方面實(shí)物水箱體積龐大，占據(jù)大量實(shí)驗(yàn)空間，另一方面，難以調(diào)整水箱結(jié)構(gòu)以搭建具有不同特性的多容過程。（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備少：實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有過程控制實(shí)驗(yàn)裝置4 臺(tái)，致使做同一實(shí)驗(yàn)也需要分成多批次才能完成，且多人一組；單個(gè)實(shí)驗(yàn)用時(shí)長。這些因素導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)資源相對(duì)于課程內(nèi)容短缺，難以滿足教與學(xué)的需求。

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)不斷被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，開辟了一種嶄新的實(shí)踐教學(xué)方式[4]。虛擬仿真控制平臺(tái)使學(xué)習(xí)者在沒有控制裝置的情況下，行進(jìn)預(yù)習(xí)、驗(yàn)證和應(yīng)用，通過仿真操作和設(shè)計(jì)，在觀察現(xiàn)象、分析系統(tǒng)響應(yīng)的過程中強(qiáng)化對(duì)控制理論的理解，提高學(xué)習(xí)者的積極性和主動(dòng)性[5]。因此，基于虛擬仿真軟件下開發(fā)一套性能優(yōu)越、功能完善的過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)提高過程控制教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力具有重要意義。

1 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

■1.1 仿真軟件簡介

本文基于“三級(jí)液位仿真系統(tǒng)”軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)?！叭?jí)液位仿真系統(tǒng)”軟件是北京德普羅爾科技有限公司開發(fā)的一套仿真系統(tǒng)，它采用構(gòu)架式軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用模塊式組件開發(fā)，搭建了一個(gè)先進(jìn)、靈活的軟件系統(tǒng)。用戶可以對(duì)控制策略、設(shè)備尺寸、閥門屬性等進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)，能夠充分滿足過程控制專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)的驗(yàn)證要求，支持學(xué)生進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)驗(yàn)證和PID 參數(shù)整定等實(shí)訓(xùn)，經(jīng)智能評(píng)分系統(tǒng)根據(jù)評(píng)分規(guī)則客觀給出成績，從而驗(yàn)證控制策略的合理性和評(píng)估控制效果[6]。

根據(jù)我院教學(xué)大綱安排，實(shí)驗(yàn)課程18 學(xué)時(shí)，因此設(shè)計(jì)并開發(fā)六個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別是：自衡單容水箱液位過程測試建模實(shí)驗(yàn)、單容水箱液位二位控制實(shí)驗(yàn)、單容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)、雙容水箱液位PID 控制實(shí)驗(yàn)、雙容水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)和雙容水箱液位-流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)包括探究內(nèi)容和考核內(nèi)容，探究內(nèi)容為控制邏輯設(shè)計(jì)、控制策略的建構(gòu)、知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證，考核內(nèi)容為學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)要求完成項(xiàng)目，教師設(shè)定智能評(píng)分系統(tǒng)，根據(jù)評(píng)分規(guī)則客觀給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的成績，從而驗(yàn)證控制策略的合理性和評(píng)估控制效果。

■1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

三級(jí)液位工程對(duì)象如圖1 所示，一級(jí)液位為臥式水箱，二級(jí)、三級(jí)液位為立式水箱。對(duì)水箱系統(tǒng)的半徑、長度、初始液位、初始?jí)毫碗x地高度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖1 工程對(duì)象流程圖

2 基于學(xué)號(hào)的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

以“單容水箱液位二位控制實(shí)驗(yàn)”為例，說明實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)過程。本實(shí)驗(yàn)選用2#儲(chǔ)罐V102、進(jìn)水閥門FV102和出水閥門FV108 構(gòu)造單容水箱液位控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)的目的是理解二位控制的基本原理和控制特性，通過實(shí)驗(yàn)掌握并分析影響控制性能的參數(shù)。

■2.1 內(nèi)控組態(tài)設(shè)計(jì)

內(nèi)控組態(tài)的作用是搭建被控對(duì)象的控制回路。根據(jù)工藝流程和控制系統(tǒng)原理選擇被控對(duì)象、控制器和執(zhí)行器。根據(jù)控制系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)內(nèi)部控制器組態(tài)。使用“信號(hào)源”采集儀表檢測數(shù)據(jù)，利用“非線性環(huán)節(jié)”實(shí)現(xiàn)滯環(huán)二位控制律，通過“信號(hào)輸出”將控制量送給對(duì)應(yīng)的閥門。設(shè)計(jì)好的內(nèi)控組態(tài)如圖2 所示。

圖2 內(nèi)控組態(tài)設(shè)計(jì)

■2.2 趨勢曲線設(shè)計(jì)

趨勢曲線在仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以運(yùn)行時(shí)間為X 軸繪出曲線，單位為秒,趨勢畫面中所有的曲線共享同一時(shí)間軸。趨勢畫面中的Y 軸為數(shù)據(jù)軸。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容配置水箱液位LI102 和閥門FV102 開度。

■2.3 基于學(xué)號(hào)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

為了避免實(shí)驗(yàn)雷同，制定了基于學(xué)號(hào)的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，讓每位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既有共性，又有個(gè)性。二位控制是比較簡單的算法，在學(xué)生理解算法的基礎(chǔ)上，找出影響控制效果的多種因素，并加以分析是非常有必要的。因此依據(jù)學(xué)號(hào)的尾號(hào)，本實(shí)驗(yàn)制定了以下項(xiàng)目。

（1）改變回差，觀察回差對(duì)控制效果的影響（各學(xué)號(hào)均必做）。

（2）改變二位控制率輸出u 的屬性參數(shù)M，觀察M 對(duì)控制效果的影響（學(xué)號(hào)尾數(shù)1 和6 必做）。

（3）改變進(jìn)水閥流量特性，觀察它對(duì)控制效果的影響（學(xué)號(hào)尾號(hào)2 和7 必做）。

（4）改變出水閥開度，觀察開度對(duì)控制效果的影響（學(xué)號(hào)尾號(hào)3 和8 必做）。

（5）改變水箱半徑，觀察水箱容量對(duì)控制效果的影響（學(xué)號(hào)尾號(hào)4 和9 必做）。

（6）改變進(jìn)水閥流通能力，觀察它對(duì)控制效果的影響（學(xué)號(hào)尾號(hào)5 和0 必做）。

3 自主評(píng)分邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■3.1 二位控制實(shí)驗(yàn)的考核內(nèi)容要求

自行調(diào)整控制器及對(duì)象參數(shù)，液位要求控制在10（%），調(diào)節(jié)時(shí)間不多于120s，動(dòng)態(tài)最大負(fù)向偏差不超過5（%），穩(wěn)態(tài)后誤差不超過2（%）。

■3.2 評(píng)分系統(tǒng)配置

依據(jù)系統(tǒng)要求在評(píng)分系統(tǒng)中配置了控制回路的要求和穩(wěn)定性要求，如圖3 所示?？己藭r(shí)間為40 分鐘，調(diào)節(jié)時(shí)間占20 分，動(dòng)態(tài)偏差占20 分，穩(wěn)定后誤差為30 分，超出則扣分。根據(jù)評(píng)分配置，學(xué)生在做完實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)根據(jù)趨勢曲線以及操作步驟進(jìn)行評(píng)分。

圖3 控制回路評(píng)分配置圖

4 實(shí)驗(yàn)效果分析

通過仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)學(xué)號(hào)按照要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，圖4 為學(xué)生操作過程中趨勢曲線圖，圖5 為根據(jù)評(píng)分系統(tǒng)自動(dòng)得分截圖。

圖4 趨勢曲線圖

5 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)的融合，使得傳統(tǒng)教學(xué)在教學(xué)體制、教學(xué)理念和教學(xué)方法等方面獲得了更廣闊的改革路徑。本文通過使用“三級(jí)液位軟件”，詳細(xì)描述了“單容水箱液位二位控制實(shí)驗(yàn)”的開發(fā)和設(shè)計(jì)過程，實(shí)驗(yàn)不僅仿真了液位在二位控制下的變化，通過評(píng)分配置還對(duì)曲線進(jìn)行了評(píng)估，仿真結(jié)果與理論貼合度較高。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步進(jìn)行過程控制實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

圖5 系統(tǒng)評(píng)分截圖