网络化过程控制系统实验探索
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摘 要 结合实际工业控制中被广泛应用的网络化过程控制技术，针对过程控制工程实验课程提出在现有实验设备的基础上加入网络化控制技术，构建一个开放性实验平台的具体方案。目的是为学生提供一个综合运用PID控制、模糊控制、自适应控制等控制算法，自行探索设计控制器，并结合CAN网络技术和嵌入式技术实现能对系统温度、液位、压力等参数进行有效控制的网络化实验环境。通过增加开放性网络化过程控制实验，丰富过程控制实验教学体系，并实现开放性实验教学，为培养创新型人才打下基础。
关键词 网络化控制;过程控制工程实验;实验平台;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
“过程控制工程实验”是许多高校自动化专业的必修课程，主要教学目的是培养学生在过程控制方面的基本工程能力，包括过程控制系统的设计、构建和分析等[1]。目前的“过程控制工程实验”课程着重于过程控制系统的仪表特性分析、PID控制器原理和设计方法。随着互联网技术的发展，网络化控制技术在工业控制中得到十分广泛的应用[2]，在国内外高校中，以网络技术为核心的控制系统也逐渐进入实验室[3-5]。为了让学生能适应新技术的发展，掌握更加先进的控制理论和技术，使所学内容与现有的实际工业控制技术接轨，必须对传统“过程控制工程实验”课程内容进行适合技术进步的改革，在课程中加入网络化控制的新技术、新方法，同时进一步增加实验课程的开放性，让学生学会从实际工程的角度去分析问题、解决问题，进一步培养学生理论与实际相结合的能力、工程系统的设计能力和实施能力，体验自动化专业的前沿技术。
2 过程控制工程实验课程的背景
“过程控制工程实验”的重要性 我国正在大力推進“中国制造2025计划”，在这个产业结构转型的关键时代，对于自动化专业人才的培养提出新的要求[6]。自动化专业的学生应该是具有扎实的专业知识、全面的知识储备、较强的工程适应能力等的复合型人才。因此，实践应用课程体系的科学与否，将直接影响人才培养质量。
华南理工大学自动化学院自动化专业实验课程主要分为两类：
1）基础实验课程，如大学物理实验、模拟电子、数字电子技术实验、自动控制原理实验等;
2）专业领域实验课程，如过程控制工程实验、运动控制系统实验等。
其中专业领域实验课程是专业基础知识和实际工程系统之间的桥梁。在传统的课程体系中，这些实验课程内容相对独立，每一门实验课仅针对某一个方面的知识进行学习。如“过程控制工程实验”的主要内容是关于工业过程中控制系统的设计与实现。在计算机和通信技术空前发达的今天，这类专业实验课程的知识架构与内容显得过于单一。从自动化专业技术的发展来看，控制器的实现手段已从模拟仪表为基础的简单反馈系统发展为网络化的数字控制系统，同时控制算法也越来越多样化。因此，这类专业实验课程也被赋予更多的内涵，课程内容也越来越具有交叉性和综合性。如果对课程内容和相应的实验平台进行合理配置，将有助于学生全面理解过程控制领域的核心知识点和关键技术以及与其他课程之间的相关性，同时为高年级本科生提供一个适合时代和技术发展的开放性研究平台。
“过程控制工程实验”教学现状及存在的问题 在近年来的教学实践中发现整个教学过程存在下面一些问题。
1）教学方式固化。在目前的“过程控制工程实验”实验课程中，验证性实验占主导地位，按照“结论—验证—应用”的模式来进行，学生按部就班地按照教师的要求进行实验，导致积极性不高，缺乏自己的思考，主观能动性不能得到充分发挥。 2）课程内容、操作方法单一。从图1可以看到，“过程控制工程实验”的主要内容是不同对象的特性测试和单回路控制系统实验（包括温度、液位、流量等）以及串级控制系统实验等，这些内容主要还是围绕PID参数的选取和调节，实验的基本原理是类似的，实验操作方法也较为单一。而且课程中所涉及的知识点比较独立，学生很难通过实验将所学知识进行综合运用。
针对上述问题，设想设计一个综合性更高的实验平台，让学生以该平台为基础，自己设计并搭建一个完整的微型网络化过程控制系统。
3 网络化过程控制实验的实现
为了加强各门课程之间知识的融合，兼顾课程内容的全面性和独立性，同时提高学生的学习自主性，熟悉和掌握目前实际工业控制中所用的先进控制理论和方法，对传统的“过程控制工程实验”进行创新势在必行，这也是高校课程改革和发展的必然要求[7-8]。在“过程控制工程实验”中引入网络化控制的概念、系统构架、设计案例和实现手段，让学生综合运用所学的控制分析设计方法、信息处理技术、嵌入式单片机和工业网络等方面的知识设计并实现网络化过程控制的系统框架、控制器算法等。
系统结构 在“过程控制工程实验”课程中以原有的过程控制实验对象为基础，加入网络化系统与嵌入式单片机技术，构建如图2所示的网络化控制系统。主机通过CAN总线与多台嵌入式单片机进行连接通信，这些嵌入式单片机之间也可以通过CAN总线进行通信与信息交互。嵌入式单片机与被控对象（如液位、温度、流量等）构成单回路数字控制系统，同时多个被控对象之间可通过物理连接（如多级水箱）构成多回路系统。
这一系统构架的特点是通过CAN总线技术将原来实验中的单回路系统集成为一个网络化控制系统，这一构架更能体现现代过程控制的特点和控制技术的发展，为学生体验和尝试构建现代网络化过程控制系统提供了一个模板。另一方面用嵌入式单片机这一过程控制中的常用技术来实现基本控制单元，更符合技术发展的潮流，也为学生提供了實施控制算法的新途径，便于学生在系统设计过程中尝试自适应控制、智能控制、最优控制等PID控制算法以外的现代方法。
具体实施 网络化过程控制系统实验平台的实施可分为设备备置、实验内容和实验教学三个部分。
设备备置主要是对目前现有的实验装置进行改造，包括以PC机为主节点，以CAN总线为基础组成网络化构架;以若干嵌入式单片机为子节点的单回路控制系统。子节点具有与实验室现有的执行器、传感器直接进行数据交互的能力、利用CAN总线与其他节点进行通信的功能;主节点具有通过CAN总线与子节点进行实时通信的功能，同时具有人机交互功能。
实验内容如表1中所示，主要内容可分为：以CAN总线为基础的网络控制系统构架;以嵌入式单片机为核心的实时控制系统;多样化的系统建模、信号预处理、控制算法的设计、实现与调试;面向分布式控制系统的人机界面。
在实验教学的具体实施过程中，充分体现实验的开放性、团队协作性和学生自主性[9]。在两到三个月的规定时间段内，学生分阶段完成各项预设任务。教师在开放式教学过程中，以学生为中心，辅助学生开展试验，让学生学会独立思考、分析和解决问题。最后，学生在上述实验平台上完成以网络化控制系统为基础的温度、液位、压力等多回路复杂控制系统，并尝试适用各类先进控制算法（如自适应、智能、最优控制等算法）。
网络化过程控制实验教学优势 在过程控制实验教学中引入网络化控制的内容，将进一步丰富和完善过程控制实验教学体系，充分反映当前控制技术的发展水平、计算机和网络通信技术在控制系统中的应用现状，拉近学生所学知识与实际工程系统的距离，提高学生对知识的综合运用能力、团队协作能力、控制系统的综合设计能力。如表2所示，“网络化过程控制实验”与现有的课程进行比较，在教学形式、教学管理和教学内容等方面都有提高和进步。从学生的反馈中来看，“网络化过程控制实验”让他们接触到实际工业中的先进控制算法以及平台搭建的相关知识。通过开放式的教学模式，让学生不再单纯地进行验证性的实验，而是通过小组合作的形式，学会自己思考问题、解决问题。
4 结语
对“过程控制工程实验”进行改革，在实验教学内容上融入网络化控制的内容，在教学形式上将学生作为主体，实现开放式教学。这样不仅改变了传统过程控制实验教学内容单一的现状，而且学生通过实验，能有效地将各类专业知识进行综合运用，锻炼实际操作能力，还接触到更加先进、与实际工业控制接轨的控制技术。因此，在过程控制实验教学中引入网络化控制的内容是自动化实验课程改革的趋势，也是对培养综合创新型人才的必然要求。
参考文献
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[6]万迪庆，利助民，叶舒婷，等.面向“中国制造2025”发展战略的本科教学改革思考：以华东交通大学为例[M]//广州：国际现代管理、教育技术和社会科学国际会议.2016：356-359.
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[9]屈二军，李文建，陈兰英，等.深化开放性实验管理，培养创新型人才[J].实验科学与技术，2010，8（4）：131-133.
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