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摘要：基于自動(dòng)化專業(yè)工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)和科研的實(shí)際需求，開發(fā)了具有航運(yùn)特色的過程控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)以三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置為模型，結(jié)合典型的船舶機(jī)艙過程控制系統(tǒng)，為教師和學(xué)生提供輔助教學(xué)和自主實(shí)驗(yàn)的條件，能有效提高學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣以及對過程控制系統(tǒng)的認(rèn)知和理解能力。

關(guān)鍵詞：過程控制系統(tǒng)；航運(yùn)特色；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

過程控制系統(tǒng)涵蓋自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的理論與方法，是自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的主要專業(yè)課程之一。它是一門對實(shí)踐性要求非常高的綜合性課程，對培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才具有重要作用[1-2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)過程中不可替代的環(huán)節(jié)，控制技術(shù)的快速發(fā)展和學(xué)生人數(shù)的持續(xù)增加都給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了巨大的壓力和挑戰(zhàn)[3]。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些問題。第一，設(shè)備數(shù)量較少，設(shè)備損壞率較高，無法滿足學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的要求。第二，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單調(diào)，要在三容水箱實(shí)驗(yàn)設(shè)備上研究開發(fā)新的智能控制算法，實(shí)驗(yàn)成本較高，時(shí)間周期較長。第三，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)有限，實(shí)驗(yàn)室開放管理難度較大，學(xué)生自主創(chuàng)新能力訓(xùn)練不足[4-6]。因此，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。過程控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)(簡稱平臺(tái))的開發(fā)，以三容水箱過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為模型，對三容水箱液位、溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行控制仿真研究[7]。同時(shí)鑒于我校海事院校鮮明的行業(yè)特色，將典型的船舶機(jī)艙過程控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真，通過具體實(shí)例講解相應(yīng)的儀表與過程控制系統(tǒng)的基本工作原理。

1平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)和要求

平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)是滿足新時(shí)期自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)要求，并具有學(xué)校航運(yùn)特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。根據(jù)專業(yè)本科培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，針對過程控制系統(tǒng)課程特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)易于擴(kuò)展、界面友好、算法開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)具有以下功能：水箱液位、溫度、壓力動(dòng)態(tài)虛擬仿真；水箱模型參數(shù)設(shè)置；控制器參數(shù)設(shè)計(jì)，可自行設(shè)計(jì)其他先進(jìn)智能控制算法；控制模式選擇；仿真進(jìn)程控制；數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)等。

2平臺(tái)建設(shè)方案

平臺(tái)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)主要包括界面操作設(shè)計(jì)、支撐界面運(yùn)行的模型設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)組成原理圖如圖1所示，基于MATLAB軟件開發(fā)建立對象模型及其控制算法，基于WinCC軟件開發(fā)平臺(tái)人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)界面[8]，包括初始登錄界面、可視化動(dòng)態(tài)過程以及參數(shù)整定界面等。結(jié)合OPC協(xié)議有效組態(tài)系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳遞，實(shí)現(xiàn)界面和模型的無縫連接。

2.1水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

我校過程控制實(shí)驗(yàn)室有15套YL-363C型水箱過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，以此為參考對象，利用對象特性測試法，得到被控對象對階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線或輸出數(shù)據(jù)。根據(jù)已給定的對象模型結(jié)構(gòu)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型參數(shù)。H為水箱液位高度，Q為流量，K為對象放大系數(shù)，T為時(shí)間常數(shù)，τ為容量滯后時(shí)間，建立了如下數(shù)學(xué)模型。單容水箱：(1)雙容水箱：(2)

2.2數(shù)據(jù)通信

平臺(tái)界面與對象模型之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信是平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵。OPC協(xié)議由標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，是客戶端-服務(wù)器模式。在該平臺(tái)中，OPC的服務(wù)器是WinCC軟件，客戶端是MATLAB軟件。將WinCC和MATLAB通過OPC協(xié)議建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)數(shù)據(jù)的雙向傳送。WinCC軟件作為OPC協(xié)議的服務(wù)器，優(yōu)先建立OPC通道，然后建立通信變量，在“OPCGroups(OPCHNUnit#1)”下拉框中選擇“新驅(qū)動(dòng)程序的連接”，并在“屬性”對話框中選擇服務(wù)器類“OPCDA”，設(shè)置OPC服務(wù)器的名稱。MATLAB軟件作為OPC協(xié)議的客戶端，首先添加客戶機(jī)、組對象和項(xiàng)對象，利用其現(xiàn)成的OPC工具箱，直接在命令窗口輸入“opctool”命令即可，其次由OPCNetwork添加“l(fā)ocalhost”，最后設(shè)置變量，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件之間的通信。

2.3平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

平臺(tái)界面主要由平臺(tái)初始界面、各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理認(rèn)知界面、實(shí)驗(yàn)操作界面、實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面等組成。平臺(tái)初始界面如圖2所示，主要包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的切換按鈕。根據(jù)教學(xué)需求，單擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)入對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面，如單擊“實(shí)驗(yàn)四、串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作界面，如圖3所示。串級(jí)控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)閉合回路組成：主回路和副回路。主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。在該平臺(tái)中，主回路中控制對象為中水箱，中水箱的液位為主控制量，副回路中控制對象為上水箱。在圖3的實(shí)驗(yàn)界面中，左半部分的動(dòng)態(tài)可視化顯示區(qū)域直觀清晰地給出了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)有水流通過時(shí)，所在管道會(huì)由灰色變?yōu)樗{(lán)色，水箱也會(huì)動(dòng)態(tài)顯示水量液位。在參數(shù)設(shè)置與顯示區(qū)域，“中水箱液位”“上水箱液位”可以實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)水箱液位的具體數(shù)值。在“液位設(shè)置”框內(nèi)進(jìn)行給定值設(shè)置，在“主調(diào)節(jié)器”和“副調(diào)節(jié)器”框內(nèi)可進(jìn)行主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，“加擾動(dòng)”環(huán)節(jié)可對某一控制對象加外部擾動(dòng)，觀察響應(yīng)曲線的變化。水箱液位響應(yīng)曲線也可點(diǎn)擊“歷史曲線圖”查看，如圖4(a)所示，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)原理”按鈕可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)原理介紹界面，如圖4(b)所示。船舶主機(jī)燃油黏度控制系統(tǒng)是典型的船舶機(jī)艙過程控制系統(tǒng)之一，通過控制主機(jī)的燃油溫度和黏度，保障主機(jī)的正常有效運(yùn)行。在平臺(tái)初始界面上，單擊“實(shí)驗(yàn)九船舶主機(jī)燃油黏度控制虛擬實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作界面，如圖5所示。在動(dòng)態(tài)可視化顯示區(qū)域，可以看到該系統(tǒng)主要由溫度控制器、黏度控制器、蒸汽控制閥、燃油加熱器、溫度變送器、黏度測量計(jì)等組成。

3平臺(tái)的應(yīng)用

與原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，該平臺(tái)能使教與學(xué)不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)場所的限制，具有較強(qiáng)的靈活性，發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性，突破硬件條件的限制，最終能夠以虛擬仿真系統(tǒng)和實(shí)物裝置相結(jié)合的方式完成相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考核。該平臺(tái)也可應(yīng)用于自動(dòng)化、測控等專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)，年均受益學(xué)生為300人次。在培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐創(chuàng)新能力方面，由于授課對象一般為三四年級(jí)的學(xué)生，已具備一定的專業(yè)知識(shí)和編程基礎(chǔ)，可以利用該平臺(tái)開發(fā)研究先進(jìn)的智能控制算法，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)語

具有航運(yùn)特色的過程控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，以三容水箱過程控制實(shí)驗(yàn)裝置和典型的船舶機(jī)艙過程控制系統(tǒng)為例，利用WinCC軟件和MATLAB軟件，基于OPC協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。該平臺(tái)能夠讓學(xué)生在了解過程控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)及基本工作原理的基礎(chǔ)上，對經(jīng)典控制算法與先進(jìn)智能算法的研究與應(yīng)用進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可作為相關(guān)課程的輔助教學(xué)資源，有效延伸學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間，能提高學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣和對過程控制系統(tǒng)的認(rèn)知和理解能力。

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作者:張萌嬌 李暉 劉婷 單位:大連海事大學(xué)船舶電氣工程學(xué)院