学生控制工程应用能力的实验教学改革

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摘要：本文对我校《过程控制系统》课程紧密围绕如何提升学生工程应用能力为主线，就基于数学模型、基于真实实验装置、基于虚拟仿真软件等多维度进行实验项目的不断优化、实验教学手段的不断丰富和实验核心技能的培养落实等方面的实验教学改革探索与实践进行了总结。教学实践表明，改革取得了良好的教学效果。

关键词：过程控制系统；仿真；工程应用

我校（重庆科技学院）作为应用型特色鲜明的学校，对学生的工程应用能力的培养一直以来都是作为重点贯穿教学过程的始终。《过程控制系统》在自动化专业课程体系中占有极其重要的地位，是培养应用型自动化专业人才的关键课程之一。通过这门课程的教学，要使学生能获得运用自动控制原理，结合生产过程机理，利用自动化仪表及装置去从事生产过程的分析、设计、运行与开发研究的工作能力。为了实现学校一贯的“工程应用能力培养”的教学宗旨和教学目标，我校对过程控制实验室进行了不断的完善和充实，从最初的仅有两套化工仿真装置，一直充实到现在的六套真实的A3000高级过程控制系统实验装置和三套真实的过程控制系统以及六十套化工仿真软件。下面就基于数学模型、基于真实实验装置、基于虚拟仿真软件等多维度进行的教学改革实践做具体阐述。

一、基于数学模型进行仿真演示为主的初级阶段

当时由于最初条件有限，我校过程控制实验室仅有两套化工仿真装置，而且该仿真装置仅是依靠建好的数学模型进行仿真，所有的管道都是示意，没有真实的介质；所谓的反应釜也是模型，看不到任何现象，至于是如何实现这个控制算法的，更是不得而知。因为仿真都是建立在数学模型的基础上，都是黑匣子，这与现场实际严重脱节。实验项目仅包括“离心泵液位控制”、“热交换过程控制”、“临界比例法PID控制器参数整定”等三个验证性实验。

二、基于项目制思想利用真实实验装置开展综合性实验教学阶段

我校购置了6套A3000真实过程控制实验系统，主要由三个组成部分：①上位机。主要由具有RS232串口通讯功能的电脑主机、显示器及安装有西门子WinCC组态监控软件的Windows操作系统组成。②控制柜。主要由智能仪表控制器、研华公司的ADAM模块控制器、西门子S7-200PLC控制器以及现场对象的传感器、执行器等部件的信号输入/输出接插口区等组成。③现场对象。主要由上、中、下三种不同类型水箱、锅炉、储水箱、两个磁力驱动泵、电动调节阀、变频器、调压模块、液位变送器、压力变送器、温度变送器、流量变送器以及连接各个部件的管道球阀等组成。随着以上实验设施的充实和完善，除了开设以前的三个传统验证实验项目外，我们还大幅度增加了“液位定值控制”、“流量液位串级控制”、“单闭环流流量比值控制”等实验项目，让每个学生都能够亲自动手调试实际的过程控制系统，达到比较理想的控制效果，从而体会到PID控制算法中每个参数对实际过程控制系统控制效果的影响。在大脑里形成直观的感性认识，使理论知识和实际应用有机的结合在一起。这样对学生过程控制系统的工程应用能力起到了长足的提升。除此之外，由于该实验装置是全开放的，学生根据自己的兴趣可以灵活搭建自己的控制系统，去完成一些需要耗时长的综合性实验项目。比如：锅炉温度和换热器热出水口温度的前馈反馈控制系统、管道压力和流量解耦控制系统等。学生还可以根据需要进行除了传统PID控制算法的实验，还可以进行现代的模糊控制算法的研究和实践，从而提升学生现代控制技术的工程应用能力。该串级控制系统的主控量为下水箱的液位高度H，副控量为电动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个恒值控制系统，使系统的主控制量H等于给定值；副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的。

三、虚实结合，实验教学手段和内容进一步丰富阶段

紧密结合我校应用型高校的办学特色及冶金石油行业背景，立足于使我校自动化专业的学生走上工作岗位后能尽快地适应石化和冶金等行业的要求，具有较强的过程控制系统工程应用能力，学校还特地为过程控制实验室购置了六十套化工仿真软件系统来补充实际装置不足的短板。这套化工仿真软件高度仿真输送、热交换、压缩、间歇反应、连续反应、加热、吸收、精馏、蒸馏、催化裂化反应等具有真实工厂背景的过程控制系统[1]。以热交换器为例。热交换器为双程列管式结构，起冷却作用，管程走冷却水（冷流）。含量30%的磷酸钾溶液走壳程（热流）。流程图如图2所示。学生通过开车、停车操作方式，即可实现整个过程控制流程，提升工程实践能力。

四、从工程认证要求能力角度进行总结

我校《过程控制系统》实验设备与实验项目持续建设始终紧密围绕提升学生过程控制工程应用能力而进行。上述建设方便实现对典型的过程变量液位、流量、压力、温度进行测量、显示和自动控制，并可实现从简单到复杂、从经典到现代的控制策略实验，有利于学生对输入输出模块、智能仪表、PLC可编程控制器等构成的现代典型工业控制系统的掌握。化工仿真软件有利于学生对石油化工领域的系列典型工艺过程和设备运行情况等仿真，对更多的典型过程控制案例仿真实现，提升工程应用能力。

参考文献：

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[2]谢伟.大型石油化工实体仿真实训装置的建设实践[J].实验技术与管理,2017,(6):119-122.

[3]刘辉.水循环过程控制装置在教学中的应用[J].城市地理,2015,(20):163-164.

[4]麦凤雪.基于A3000过程控制装置的智能控制系统[J].化工自动化及仪表,2013,(40):706-709.

[5]张月静.过程控制系统课程设计性实验的探索与研究[J].实验室科学,2014,(4):19-22.

[6]杨佳.“过程控制系统”课程教学及实验改革探讨[J].中国电力教育,2010,(10):125-126.

[7]吴重光.《化工仿真实习指南》第三版[M].北京:化学工业出版社,2012.

作者:许弟建 彭宇兴 田芳 余永辉 单位:重庆科技学院 重庆理工大学