虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在《過(guò)程控制》教學(xué)中的應(yīng)用研究

顧夢(mèng)祺

摘 要過(guò)程控制是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)學(xué)生人才培養(yǎng)大綱中的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，它將自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等學(xué)科結(jié)合在一起，但更重視工業(yè)過(guò)程實(shí)例，對(duì)學(xué)生的理論與實(shí)踐綜合能力要求較高，所以如何將課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的更好就顯得尤為重要。本文在分析《過(guò)程控制》課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)“虛”、“實(shí)”相結(jié)合的方式，在基于J2EE架構(gòu)的B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的過(guò)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上探討了該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并以串級(jí)與單回路控制對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)為例詳細(xì)介紹虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用方法。

【關(guān)鍵詞】過(guò)程控制 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

過(guò)程控制是測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課程，是一門(mén)跨學(xué)科及應(yīng)用性、技術(shù)性、綜合性都很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程，它需要理論和實(shí)際緊密結(jié)合，應(yīng)在學(xué)習(xí)過(guò)《電路》、《數(shù)字電路技術(shù)》、《模擬電路技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)原理》、《微控制器原理及應(yīng)用》、《自動(dòng)控制原理》等課程的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)，為后續(xù)課《集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線》、《自控系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)》、《儀表安裝技術(shù)》等提供技術(shù)支撐。

課程內(nèi)容主要包括自動(dòng)控制儀表、過(guò)程建模、控制器的參數(shù)整定、單回路控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)控制系統(tǒng)以及典型的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)。

通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的基本控制原理、多種不同控制系統(tǒng)之間控制效果的差異，以及針對(duì)具體生產(chǎn)過(guò)程的控制分析、設(shè)計(jì)方法。通常過(guò)程控制課程的學(xué)習(xí)也離不開(kāi)自動(dòng)化儀器儀表的學(xué)習(xí)，所以在課程講解過(guò)程中，要求學(xué)生學(xué)會(huì)選型并使用常用的控制儀表，并可以對(duì)其日常出現(xiàn)的基本問(wèn)題進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)等。在過(guò)程控制系統(tǒng)方面，需要學(xué)生對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程的工藝原理要有深入的了解，只有在熟悉工藝流程的基礎(chǔ)上才能有針對(duì)性的對(duì)于所要求的控制目標(biāo)設(shè)計(jì)有效的控制系統(tǒng)。一般高校都會(huì)安排學(xué)生在大三學(xué)年修讀過(guò)程控制這門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，是希望自動(dòng)化控制專(zhuān)業(yè)的學(xué)生通過(guò)前兩年基礎(chǔ)知識(shí)的積累之后，通過(guò)對(duì)大型生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程的學(xué)習(xí)，開(kāi)闊知識(shí)面、提升觀察問(wèn)題、思考問(wèn)題的高度、增加解決問(wèn)題的方法手段。最終成長(zhǎng)具備過(guò)程控制技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的操作、運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)試、技術(shù)改造的基本方法和基本技能，能在化工、石化、電力、醫(yī)藥、輕工生產(chǎn)等行業(yè)從事工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)性能分析、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)的高級(jí)應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)人才。

1 高校過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)?zāi)壳按嬖诘睦щy

由于過(guò)程控制課程的實(shí)踐性要求，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)是這門(mén)課的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作可以使學(xué)生更好的理解理論知識(shí)，同時(shí)又可以提早了解生產(chǎn)實(shí)踐的相關(guān)內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)很多高校都是采用半實(shí)物仿真的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格都比較昂貴，一般的高校都很難通過(guò)大規(guī)模采購(gòu)以滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，致使許多高校在《過(guò)程控制》課程教學(xué)中均存在理論與實(shí)際聯(lián)系不夠密切、教學(xué)不夠直觀等客觀問(wèn)題。即便是高?；ㄙM(fèi)大量經(jīng)費(fèi)采購(gòu)部分過(guò)程控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在教學(xué)過(guò)程中仍發(fā)現(xiàn)許多問(wèn)題，比如：

（1）設(shè)備體積過(guò)于龐大，正常的實(shí)驗(yàn)室房間里僅能容納很少數(shù)量的儀器設(shè)備，無(wú)法滿(mǎn)足班級(jí)學(xué)生以個(gè)人為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)僅能以分組形式開(kāi)展，易造成部分學(xué)生參與性下降。

（2）因設(shè)備采購(gòu)、維修費(fèi)用均比較昂貴，所以高校僅有的幾臺(tái)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)過(guò)多屆學(xué)生頻繁使用、錯(cuò)誤操作后，老化嚴(yán)重，又無(wú)法及時(shí)更新?lián)Q代，造成實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果較差。

（3）因工程實(shí)現(xiàn)、設(shè)備工藝等原因，目前市面上的僅有的幾家公司所生產(chǎn)的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備均存在較大實(shí)驗(yàn)誤差，影響教學(xué)效果。

（4）部分物理設(shè)備需要使用強(qiáng)電，造成學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在較大安全隱患，而教師也會(huì)分心于安全性方面，影響課題教學(xué)。

2 過(guò)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用研究

2.1 開(kāi)展的必要性

針對(duì)《過(guò)程控制》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性，以及目前課程教學(xué)中存在理論與實(shí)際聯(lián)系不夠密切、教學(xué)不夠直觀等問(wèn)題，自然可以聯(lián)想到，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是解決課程理論與實(shí)踐間聯(lián)系的重要手段，也是掌握過(guò)程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)精髓的重要途徑。鑒于此，本文通過(guò)在基于J2EE架構(gòu)的B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的過(guò)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以滿(mǎn)足教師的教學(xué)要求和學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，并對(duì)其應(yīng)用方法以及效果進(jìn)行研究、總結(jié)。

2.2 基于J2EE架構(gòu)的B/S結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)介紹

目前全國(guó)各大高校都已逐漸認(rèn)識(shí)到建立在線開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量是十分重要的，本文所討論的在教學(xué)過(guò)程中所采用的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)共涉及學(xué)生、教師、教務(wù)員、實(shí)驗(yàn)管理員、校領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)管理員等角色，而學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)主體可以隨時(shí)隨地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄，打破以往的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的局限性，對(duì)于學(xué)校、教師、學(xué)生來(lái)說(shuō)都提供了極大的便利行。另外雖然是虛擬的，但是通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)可以呈現(xiàn)給學(xué)生近乎逼真的視覺(jué)體驗(yàn)、提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)非常相似的試驗(yàn)環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的閉環(huán)處理，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程中均提供多個(gè)教學(xué)模塊環(huán)節(jié)，如：實(shí)驗(yàn)簽到、實(shí)驗(yàn)安排計(jì)劃查詢(xún)、提交實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果批閱、實(shí)驗(yàn)成績(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)答疑等環(huán)節(jié)，通過(guò)教師與學(xué)生在多模塊環(huán)節(jié)的交流互動(dòng)，可以約束實(shí)驗(yàn)行為更嚴(yán)謹(jǐn)并從一定程度上可確保達(dá)成既定實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)簽到：在線簽到計(jì)時(shí)系統(tǒng)，每次實(shí)驗(yàn)順利完成全部環(huán)節(jié)才成功簽到，并統(tǒng)計(jì)每次在線學(xué)習(xí)時(shí)間進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)分析；

實(shí)驗(yàn)安排計(jì)劃查詢(xún)：教師可以提前在網(wǎng)站上公布課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)安排，學(xué)生可以登錄查詢(xún)；

提交實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告：學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后可以點(diǎn)擊提交本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以word等形式上傳具體實(shí)驗(yàn)報(bào)告；

實(shí)驗(yàn)結(jié)果批閱：教師登錄系統(tǒng)，批改學(xué)生的每次實(shí)驗(yàn)成果，并給出成績(jī)；

實(shí)驗(yàn)成績(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)：為教師、教務(wù)員提供實(shí)驗(yàn)成績(jī)自動(dòng)分析統(tǒng)計(jì)功能；endprint

實(shí)驗(yàn)答疑：學(xué)生與任課教師的實(shí)時(shí)互動(dòng)平臺(tái)。

2.3 串級(jí)與單回路控制對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例

串級(jí)與單回路控制對(duì)比仿真的實(shí)驗(yàn)中，需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上試圖通過(guò)對(duì)比分析有擾動(dòng)和無(wú)擾動(dòng)情況下，單回路與串級(jí)控制的時(shí)域響應(yīng)圖像，來(lái)掌握串級(jí)控制的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以直觀看到在單回路控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)只有一個(gè)控制器和一支反饋回路，而串級(jí)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)由兩個(gè)（或多個(gè)）控制器串聯(lián)組成，有兩條（或多條）反饋回路。這樣的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都得到控制，使系統(tǒng)表現(xiàn)更出色。實(shí)際平臺(tái)設(shè)計(jì)被控對(duì)象為某隧道窯爐系統(tǒng)，其燒成帶溫度為系統(tǒng)輸入，通過(guò)分別搭建單、雙回路控制系統(tǒng)仿真方框圖，把連續(xù)階躍信號(hào)源模塊、減模塊、比例積分微分控制器等模塊、傳遞函數(shù)模塊以及多端口示波器模塊按方框圖進(jìn)行連接，再設(shè)置模塊參數(shù)，點(diǎn)擊允許按鈕，觀察運(yùn)行結(jié)果輸出。根據(jù)仿真結(jié)果，可以基本看出系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間提高了3倍，對(duì)二次擾動(dòng)的最大動(dòng)態(tài)偏差減小了約20倍，對(duì)一次擾動(dòng)的最大動(dòng)態(tài)偏差減小了約2.6倍。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能明顯改善。

3 效果評(píng)價(jià)

將虛擬實(shí)驗(yàn)帶入課堂，通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合，先學(xué)習(xí)理論框架，然后進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)讀工程圖紙、達(dá)到識(shí)別系統(tǒng)方案的目的，然后以實(shí)際的系統(tǒng)裝置為樣本，繪制系統(tǒng)的工程圖，進(jìn)一步理解控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和工程表達(dá)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連線完成方案的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)設(shè)置、投運(yùn)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)了學(xué)生工程能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，形成了一套獨(dú)特的教學(xué)模式，從根本上改變了以往學(xué)生對(duì)“過(guò)程控制”課程的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生深刻理解了自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的課程體系。在《過(guò)程控制》課程學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了三大突破。

（1）擺脫原有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)受限的不利教學(xué)局面，將課堂理論講授與虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，并因?yàn)槭情_(kāi)放式共享平臺(tái)，學(xué)生可以在一定程度上自由安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，較為靈活機(jī)動(dòng)。而且在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置多個(gè)師生互動(dòng)的環(huán)節(jié)，可以改變教師很少參與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)而只是單一的理論知識(shí)講授的現(xiàn)象，并最終通過(guò)教師線上批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)全過(guò)程閉環(huán)。

（2）注重實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，注重學(xué)生參與探索與歸納的過(guò)程，讓學(xué)生自主探索知識(shí)的認(rèn)識(shí)規(guī)律，從簡(jiǎn)入難、從單一性到綜合性實(shí)驗(yàn)的順利過(guò)渡，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也在很大程度上提高了學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目與學(xué)科競(jìng)賽的信心，對(duì)于學(xué)生的未來(lái)發(fā)展提供助力。

（3）學(xué)生通過(guò)該方面的強(qiáng)化訓(xùn)練，可以解決復(fù)雜工程控制項(xiàng)目的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、投運(yùn)問(wèn)題，學(xué)習(xí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力明顯提高，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又從根本上轉(zhuǎn)變學(xué)生只重視理論教學(xué)的思想，按此模式培養(yǎng)的畢業(yè)學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)非常容易，也受到用人單位的歡迎。

可以說(shuō)，開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)面向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化和現(xiàn)代化，提高實(shí)驗(yàn)管理水平。

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作者單位

淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院 江蘇省淮安市 223300endprint