基于雙容水箱液位控制案例的過程控制系統(tǒng)教學(xué)研究

胡銀龍　王冰

摘要：過程控制系統(tǒng)以工業(yè)生產(chǎn)過程為對象，融合控制理論與方法、自動(dòng)化儀表等技術(shù)手段，是一門理論和實(shí)踐結(jié)合較強(qiáng)的自動(dòng)化專業(yè)課程。本文以基于Simulink的雙容水箱液位控制系統(tǒng)為例，結(jié)合課程中串級控制等教學(xué)內(nèi)容，探討實(shí)例化的對照教學(xué)方法在過程控制系統(tǒng)課堂教學(xué)中的應(yīng)用問題。通過對抽象教學(xué)內(nèi)容的實(shí)例化和可視化，加深學(xué)生的直觀感，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：過程控制；Simulink仿真；實(shí)例化教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0179-02

一、引言

“過程控制系統(tǒng)”是自動(dòng)化專業(yè)的一門理論和實(shí)踐結(jié)合較強(qiáng)的專業(yè)課，涉及的內(nèi)容較為廣泛，主要包括控制系統(tǒng)建模、自動(dòng)化儀表、控制理論和控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)等[1]。課程教學(xué)的主要目的是讓學(xué)生在了解、熟悉、掌握工業(yè)工藝生產(chǎn)流程和生產(chǎn)過程的靜、動(dòng)態(tài)特性基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝要求，綜合運(yùn)用控制系統(tǒng)中的基本理論、現(xiàn)代控制技術(shù)方法，分析、設(shè)計(jì)與制定過程控制系統(tǒng)，從而提高學(xué)生的分析問題和解決問題能力[2]。作為有明確工程導(dǎo)向的專業(yè)課程，過程工業(yè)中的很多實(shí)際應(yīng)用案例都有相應(yīng)的理論為支撐，而課程中的大量概念和理論也都可用直觀的案例或圖形圖像來表現(xiàn)其內(nèi)在本質(zhì)。然而，一方面，在基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)中，概念和理論的數(shù)學(xué)化講解占據(jù)了主導(dǎo)地位，導(dǎo)致部分學(xué)生無法將學(xué)到的理論知識進(jìn)行可視化和工程化；另一方面，在實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)中，重動(dòng)手仿真能力而輕理論分析，導(dǎo)致部分學(xué)生無法透過實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象認(rèn)識內(nèi)在機(jī)理。因此，在教學(xué)的過程中，如何在理論分析與工程實(shí)踐之間搭建起溝通的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生形象化地學(xué)習(xí)抽象的理論方法、理論化地分析實(shí)踐中的客觀現(xiàn)象，讓學(xué)生在理論與實(shí)踐間靈活切換，從工程的角度幫助學(xué)生建立“系統(tǒng)、信息、控制”的基本概念，是“過程控制系統(tǒng)”這門課程需要持續(xù)探討的話題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、科學(xué)研究的深入與計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為分析、綜合各類系統(tǒng)特別是大系統(tǒng)的一種有效的研究方法和有力的研究工具，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各技術(shù)領(lǐng)域、各學(xué)科內(nèi)容和各工程部門[3]。在過程控制理論和實(shí)踐的教學(xué)中，可通過計(jì)算機(jī)仿真使學(xué)生在無須親臨工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的情況下，充分了解和掌握各類過程工業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及相應(yīng)的控制方法與參數(shù)整定方法[4]。為充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真的作用，本文以基于Simulink的雙容水箱液位控制系統(tǒng)為例，研究實(shí)例化的對照教學(xué)方法。

二、基于雙容水箱液位控制系統(tǒng)的教改思路

液位是過程控制工業(yè)常見的控制量之一，雙容水箱液位控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)教學(xué)中常用教學(xué)案例之一，控制目標(biāo)為通過調(diào)節(jié)上水箱入水量來保持下水箱液位在某一給定值。本文通過數(shù)學(xué)建模分析、Simulink仿真模型的建立、控制方法對照分析等，來探討實(shí)例化的對照教學(xué)方法在過程控制系統(tǒng)課程中的應(yīng)用。

1.液位系統(tǒng)物理建模。對于雙容水箱系統(tǒng)，水流通過調(diào)節(jié)閥流入上水槽內(nèi)，而后由上水槽流出到下水槽。若記流入量Qi，流出量Q2，中間流量Q1，上下水箱水位高度h1、h2，上下水箱底面積為A1、A2，通過列些系統(tǒng)動(dòng)態(tài)微分方程并經(jīng)過拉普拉斯變換，即可得到雙容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

2.控制方法對照分析教學(xué)。串級控制是過程控制工業(yè)中常用的控制策略，其可以有效改善過程品質(zhì)，得到了廣泛的應(yīng)用，是過程控制課程中重要的控制方法[1]。與簡單單回路控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在兩個(gè)閉環(huán)，分別負(fù)責(zé)控制過程中的粗調(diào)和細(xì)調(diào)任務(wù)。此外，由于副回路的存在，串級控制增強(qiáng)了克服干擾的能力，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善了系統(tǒng)的控制質(zhì)量[2]。在教學(xué)過程中，常常采用簡化對象模型，然后經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，對串級控制系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行論證。這種教學(xué)方法雖然可以幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的分析和解決問題能力，保持課堂內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性，然而，由于缺乏實(shí)例化和可視化的直觀感受，學(xué)生往往無法從“量”和“質(zhì)”兩個(gè)角度全面地理解串級控制的內(nèi)涵。因此，我們以雙容水箱液位控制為例，探討實(shí)例化的對照教學(xué)方法。圖1所示為基于Simulink的單回路和串級雙容水箱控制系統(tǒng)框圖，通過對比，兩類控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差別一目了然，學(xué)生可對串級和單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有更加直觀的認(rèn)識。雙容水箱液位控制系統(tǒng)對象模型并不復(fù)雜，并且Simulink是自動(dòng)化專業(yè)常用的仿真軟件之一，因此以基于Simulink的雙容水箱液位控制系統(tǒng)為教學(xué)案例進(jìn)行課堂演示，有助于學(xué)生更好地理解和消化課堂教學(xué)中的基本概念，建立完整的知識系統(tǒng)。

圖2所示為串級控制與單回路控制的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果，反映了兩種控制方法性能上的差異。通過對比，學(xué)生從“量”的角度，對兩類控制方法有了比較清楚的認(rèn)識。此外，課堂上也可直接演示該Simulink仿真系統(tǒng)，使學(xué)生對PID控制、串級系統(tǒng)、參數(shù)整定等教學(xué)內(nèi)容有更直接的體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

三、結(jié)語

本文結(jié)合雙容水箱液位控制系統(tǒng)，探討了實(shí)例化對照教學(xué)方法在過程控制課程教學(xué)中的應(yīng)用問題，將課程中的抽象概念轉(zhuǎn)化為具體實(shí)例，學(xué)生對知識的直觀感得到有效的加深，因此增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終提升了教學(xué)效果。

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