盧潔瑩

摘? 要 結(jié)合實際工業(yè)控制中被廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化過程控制技術(shù)，針對過程控制工程實驗課程提出在現(xiàn)有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上加入網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，構(gòu)建一個開放性實驗平臺的具體方案。目的是為學(xué)生提供一個綜合運(yùn)用PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制算法，自行探索設(shè)計控制器，并結(jié)合CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)能對系統(tǒng)溫度、液位、壓力等參數(shù)進(jìn)行有效控制的網(wǎng)絡(luò)化實驗環(huán)境。通過增加開放性網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗，豐富過程控制實驗教學(xué)體系，并實現(xiàn)開放性實驗教學(xué)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)化控制;過程控制工程實驗;實驗平臺;控制器

Abstract A plan is proposed to set up a networked process control experiment for the undergraduate course process control experiment. This experiment is an open experiment platform in which the net-work control technology， widely used in process industries， is applied to the existing experimental equipment in the course. The purpose is to provide the students a networked experimental environment where they can use PID control， fuzzy control， adaptive control and some other control algorithms to design a feedback control system and use the CAN network and embedded technology to implement networkedprocess control systems. This open networked process control experi-ment can enrich the context of the course process control experiment and provide a more open experiment platform to students in develo-ping their research interests and technical skills.

Key words network control; process control engineering experi-ment; experi-ment platform; controller

1 前言

“過程控制工程實驗”是許多高校自動化專業(yè)的必修課程，主要教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生在過程控制方面的基本工程能力，包括過程控制系統(tǒng)的設(shè)計、構(gòu)建和分析等[1]。目前的“過程控制工程實驗”課程著重于過程控制系統(tǒng)的儀表特性分析、PID控制器原理和設(shè)計方法。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)在工業(yè)控制中得到十分廣泛的應(yīng)用[2]，在國內(nèi)外高校中，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)也逐漸進(jìn)入實驗室[3-5]。為了讓學(xué)生能適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，掌握更加先進(jìn)的控制理論和技術(shù)，使所學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)有的實際工業(yè)控制技術(shù)接軌，必須對傳統(tǒng)“過程控制工程實驗”課程內(nèi)容進(jìn)行適合技術(shù)進(jìn)步的改革，在課程中加入網(wǎng)絡(luò)化控制的新技術(shù)、新方法，同時進(jìn)一步增加實驗課程的開放性，讓學(xué)生學(xué)會從實際工程的角度去分析問題、解決問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生理論與實際相結(jié)合的能力、工程系統(tǒng)的設(shè)計能力和實施能力，體驗自動化專業(yè)的前沿技術(shù)。

2 過程控制工程實驗課程的背景

“過程控制工程實驗”的重要性? 我國正在大力推進(jìn)“中國制造2025計劃”，在這個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時代，對于自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)提出新的要求[6]。自動化專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該是具有扎實的專業(yè)知識、全面的知識儲備、較強(qiáng)的工程適應(yīng)能力等的復(fù)合型人才。因此，實踐應(yīng)用課程體系的科學(xué)與否，將直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量。

華南理工大學(xué)自動化學(xué)院自動化專業(yè)實驗課程主要分為兩類：

1）基礎(chǔ)實驗課程，如大學(xué)物理實驗、模擬電子、數(shù)字電子技術(shù)實驗、自動控制原理實驗等;

2）專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶒炚n程，如過程控制工程實驗、運(yùn)動控制系統(tǒng)實驗等。

其中專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶒炚n程是專業(yè)基礎(chǔ)知識和實際工程系統(tǒng)之間的橋梁。在傳統(tǒng)的課程體系中，這些實驗課程內(nèi)容相對獨(dú)立，每一門實驗課僅針對某一個方面的知識進(jìn)行學(xué)習(xí)。如“過程控制工程實驗”的主要內(nèi)容是關(guān)于工業(yè)過程中控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。在計算機(jī)和通信技術(shù)空前發(fā)達(dá)的今天，這類專業(yè)實驗課程的知識架構(gòu)與內(nèi)容顯得過于單一。從自動化專業(yè)技術(shù)的發(fā)展來看，控制器的實現(xiàn)手段已從模擬儀表為基礎(chǔ)的簡單反饋系統(tǒng)發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字控制系統(tǒng)，同時控制算法也越來越多樣化。因此，這類專業(yè)實驗課程也被賦予更多的內(nèi)涵，課程內(nèi)容也越來越具有交叉性和綜合性。如果對課程內(nèi)容和相應(yīng)的實驗平臺進(jìn)行合理配置，將有助于學(xué)生全面理解過程控制領(lǐng)域的核心知識點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)以及與其他課程之間的相關(guān)性，同時為高年級本科生提供一個適合時代和技術(shù)發(fā)展的開放性研究平臺。

“過程控制工程實驗”教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題? 在近年來的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)整個教學(xué)過程存在下面一些問題。

1）教學(xué)方式固化。在目前的“過程控制工程實驗”實驗課程中，驗證性實驗占主導(dǎo)地位，按照“結(jié)論—驗證—應(yīng)用”的模式來進(jìn)行，學(xué)生按部就班地按照教師的要求進(jìn)行實驗，導(dǎo)致積極性不高，缺乏自己的思考，主觀能動性不能得到充分發(fā)揮。

2）課程內(nèi)容、操作方法單一。從圖1可以看到，“過程控制工程實驗”的主要內(nèi)容是不同對象的特性測試和單回路控制系統(tǒng)實驗（包括溫度、液位、流量等）以及串級控制系統(tǒng)實驗等，這些內(nèi)容主要還是圍繞PID參數(shù)的選取和調(diào)節(jié)，實驗的基本原理是類似的，實驗操作方法也較為單一。而且課程中所涉及的知識點(diǎn)比較獨(dú)立，學(xué)生很難通過實驗將所學(xué)知識進(jìn)行綜合運(yùn)用。

針對上述問題，設(shè)想設(shè)計一個綜合性更高的實驗平臺，讓學(xué)生以該平臺為基礎(chǔ)，自己設(shè)計并搭建一個完整的微型網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)。

3 網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗的實現(xiàn)

為了加強(qiáng)各門課程之間知識的融合，兼顧課程內(nèi)容的全面性和獨(dú)立性，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，熟悉和掌握目前實際工業(yè)控制中所用的先進(jìn)控制理論和方法，對傳統(tǒng)的“過程控制工程實驗”進(jìn)行創(chuàng)新勢在必行，這也是高校課程改革和發(fā)展的必然要求[7-8]。在“過程控制工程實驗”中引入網(wǎng)絡(luò)化控制的概念、系統(tǒng)構(gòu)架、設(shè)計案例和實現(xiàn)手段，讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的控制分析設(shè)計方法、信息處理技術(shù)、嵌入式單片機(jī)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等方面的知識設(shè)計并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化過程控制的系統(tǒng)框架、控制器算法等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)? 在“過程控制工程實驗”課程中以原有的過程控制實驗對象為基礎(chǔ)，加入網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與嵌入式單片機(jī)技術(shù)，構(gòu)建如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。主機(jī)通過CAN總線與多臺嵌入式單片機(jī)進(jìn)行連接通信，這些嵌入式單片機(jī)之間也可以通過CAN總線進(jìn)行通信與信息交互。嵌入式單片機(jī)與被控對象（如液位、溫度、流量等）構(gòu)成單回路數(shù)字控制系統(tǒng)，同時多個被控對象之間可通過物理連接（如多級水箱）構(gòu)成多回路系統(tǒng)。

這一系統(tǒng)構(gòu)架的特點(diǎn)是通過CAN總線技術(shù)將原來實驗中的單回路系統(tǒng)集成為一個網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，這一構(gòu)架更能體現(xiàn)現(xiàn)代過程控制的特點(diǎn)和控制技術(shù)的發(fā)展，為學(xué)生體驗和嘗試構(gòu)建現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)提供了一個模板。另一方面用嵌入式單片機(jī)這一過程控制中的常用技術(shù)來實現(xiàn)基本控制單元，更符合技術(shù)發(fā)展的潮流，也為學(xué)生提供了實施控制算法的新途徑，便于學(xué)生在系統(tǒng)設(shè)計過程中嘗試自適應(yīng)控制、智能控制、最優(yōu)控制等PID控制算法以外的現(xiàn)代方法。

具體實施? 網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)實驗平臺的實施可分為設(shè)備備置、實驗內(nèi)容和實驗教學(xué)三個部分。

設(shè)備備置主要是對目前現(xiàn)有的實驗裝置進(jìn)行改造，包括以PC機(jī)為主節(jié)點(diǎn)，以CAN總線為基礎(chǔ)組成網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)架;以若干嵌入式單片機(jī)為子節(jié)點(diǎn)的單回路控制系統(tǒng)。子節(jié)點(diǎn)具有與實驗室現(xiàn)有的執(zhí)行器、傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的能力、利用CAN總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的功能;主節(jié)點(diǎn)具有通過CAN總線與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實時通信的功能，同時具有人機(jī)交互功能。

實驗內(nèi)容如表1中所示，主要內(nèi)容可分為：以CAN總線為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)架;以嵌入式單片機(jī)為核心的實時控制系統(tǒng);多樣化的系統(tǒng)建模、信號預(yù)處理、控制算法的設(shè)計、實現(xiàn)與調(diào)試;面向分布式控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。

在實驗教學(xué)的具體實施過程中，充分體現(xiàn)實驗的開放性、團(tuán)隊協(xié)作性和學(xué)生自主性[9]。在兩到三個月的規(guī)定時間段內(nèi)，學(xué)生分階段完成各項預(yù)設(shè)任務(wù)。教師在開放式教學(xué)過程中，以學(xué)生為中心，輔助學(xué)生開展試驗，讓學(xué)生學(xué)會獨(dú)立思考、分析和解決問題。最后，學(xué)生在上述實驗平臺上完成以網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的溫度、液位、壓力等多回路復(fù)雜控制系統(tǒng)，并嘗試適用各類先進(jìn)控制算法（如自適應(yīng)、智能、最優(yōu)控制等算法）。

網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗教學(xué)優(yōu)勢? 在過程控制實驗教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)化控制的內(nèi)容，將進(jìn)一步豐富和完善過程控制實驗教學(xué)體系，充分反映當(dāng)前控制技術(shù)的發(fā)展水平、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，拉近學(xué)生所學(xué)知識與實際工程系統(tǒng)的距離，提高學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力。如表2所示，“網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗”與現(xiàn)有的課程進(jìn)行比較，在教學(xué)形式、教學(xué)管理和教學(xué)內(nèi)容等方面都有提高和進(jìn)步。從學(xué)生的反饋中來看，“網(wǎng)絡(luò)化過程控制實驗”讓他們接觸到實際工業(yè)中的先進(jìn)控制算法以及平臺搭建的相關(guān)知識。通過開放式的教學(xué)模式，讓學(xué)生不再單純地進(jìn)行驗證性的實驗，而是通過小組合作的形式，學(xué)會自己思考問題、解決問題。

4 結(jié)語

對“過程控制工程實驗”進(jìn)行改革，在實驗教學(xué)內(nèi)容上融入網(wǎng)絡(luò)化控制的內(nèi)容，在教學(xué)形式上將學(xué)生作為主體，實現(xiàn)開放式教學(xué)。這樣不僅改變了傳統(tǒng)過程控制實驗教學(xué)內(nèi)容單一的現(xiàn)狀，而且學(xué)生通過實驗，能有效地將各類專業(yè)知識進(jìn)行綜合運(yùn)用，鍛煉實際操作能力，還接觸到更加先進(jìn)、與實際工業(yè)控制接軌的控制技術(shù)。因此，在過程控制實驗教學(xué)中引入網(wǎng)絡(luò)化控制的內(nèi)容是自動化實驗課程改革的趨勢，也是對培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型人才的必然要求。

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