代 伟, 黄 罡, 郝秀娟, 杨春雨, 马小平

(中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

过程工业在国民经济中占有极其重要的地位，过程控制是实现过程工业提质增效的重要保证，已成为现代社会不可缺少的重要组成部分[1]。过程控制系统是一门学科交叉、工程性强的自动化、电气工程与自动化等专业的核心课程，为培养学生的工程概念和能力创造实验和设计条件。通过课程学习使学生可以从系统和工程的角度理解工业过程控制系统，掌握系统分析、设计、参数整定和实现方法[2]。以培养学生的实践能力为目标，过程控制系统一贯采用“厚基础，重实践”的教学原则。

目前在传统教学中，教师习惯于课后布置大量作业考核学生对于知识点的掌握程度，然而这种方式不利于培养学生实践创新思维方式。目前先进的翻转课堂教学模式则更强调学生的自主实践创新能力，这种模式要求学生尽可能地在实验中掌握教学内容，不断对实验结果进行交流、讨论、总结。在过程控制系统这门课程中，相较于传统教学，采用翻转课堂模式，通过大量的实验可以更好地促进学生对知识点的掌握。

工业过程存在众多具有单容和多容特性的过程，其中水箱液位系统是极为典型且重要的一类[3]，相同或不同的水箱，通过不同的组合方式可以达到模拟单容、双容、多容过程[4-5]的目的。此外，在工业生产方面，液位控制系统是多数工业过程生产环节中不可或缺的组件，它的性能好坏不仅在一定程度上决定了生产过程的效率与产品质量，同时也关系着生产环节的安全问题[6-7]。因此，无论是理论还是实验教学多以水箱液位系统为实例。

一直以来关于过程控制系统的实验教学均是利用实物水箱来进行的[8]，但其缺点显而易见：一方面实物水箱体积庞大，占据大量实验空间；另一方面，难以调整水箱结构，以搭建具有不同特性的多容过程。随着信息技术和计算机技术的迅速发展，虚拟仿真技术不断被应用到实验教学活动中，开辟了一种崭新的实践教学方式[9]。国家级虚拟仿真实验教学中心近年来越来越多地被批准建立。将物理被控对象通过虚拟仿真技术进行虚拟化，以共享方式能够大大提升实验教学与实践资源，并为学生提供了开放式、创新性的实践教学环境[10]。近年来，国内外研究学者分别通过不同的平台开发虚拟过程控制仿真实验系统，如组态王[11]、Simulink[12]、VB[13]、LabWindows CVI[14]、LabVIEW[15]和力控[16]以及它们的结合等，都取得了一定的成果。但已有实验系统一方面并未考虑多种水箱不同组合形成的多种过程特性，另一方面交互界面的设计与教学常用软件脱节，导致学生难以再利用、再开发，从而难以开展创新性实验，因此，无法基于此开展翻转课堂教学。

鉴于上述原因，采用过程控制系统前序课程中常用的WinCC和Matlab软件，充分结合两者的优点，基于过程控制对象连接与嵌入(Object Linking and Embedding for Process Control,OPC)技术，开发了一套虚拟过程控制实验教学系统，利用虚拟仿真代替实物水箱。基本思想是：基于Matlab软件开发单容、多容水箱模型及其控制算法，基于WinCC软件开发水箱的可视化动态过程以及参数传递界面，基于OPC技术实现两者的无缝连接。该系统可满足学生在课前和课后开展实验的需求，在此基础上开展了过程控制系统翻转课堂教学设计研究。

1 虚拟过程控制实验教学系统功能与结构

1.1 系统功能

所开发的实验教学系统主要围绕过程控制系统的2个教学重点，即①单容、多容水箱的过程建模；②基于所建立过程模型的控制器设计。

为实现上述教学内容，该实验系统主要功能是对水箱液位动态过程进行模拟仿真，并辅以PID控制等功能，具体功能如图1所示。

图1 虚拟过程控制实验教学系统功能图

(1) 水箱液位动态虚拟仿真。实现单容、双容并联和双容串联3种水箱液位的动态虚拟仿真。

(2) 水箱液位动态可视化。可视化单容、双容并联和双容串联3种水箱的动态过程，方便直观地了解实验对象。

(3) 水箱模型参数设置。对水箱系统的直径、初始液位、液阻系数、管路延时时间等参数进行设置。

(4) 控制器参数设计。对比例、积分、微分3个控制器参数进行设置。

(5) 辨识/控制模式选择。用于“系统辨识”与“自动控制”模式选择。“系统辨识”模式下，系统直接输出OP，进行阶跃测试，记录测量过程值PV；“自动控制”模式下，系统根据设定值SV与测量过程值PV，由控制器计算输出OP，实现自动控制。

(6) 仿真进程控制。实现虚拟仿真实验的启动、停止、暂停等控制功能。

(7) 数据显示与存储。保存实验数据，并在界面上显示水箱液位变化的实时曲线和历史曲线。

(8) 通信连接功能。利用ActiveX技术，实现WinCC对Matlab的调用，并通过OPC建立Matlab和WinCC的数据连接。

1.2 系统结构

系统总体结构如图2所示。前台界面层采用WinCC组态软件开发，完成对单容、双容并联、双容串联水箱的工艺流程、参数设置、实时曲线、历史曲线等界面显示，以及仿真进程控制等功能。后台模型层主要由Matlab软件实现，实现对水箱模型仿真、控制算法计算等功能。数据通信层首先采用VB语言实现前台界面层对后台模型层Matlab 程序的调用，再利用OPC技术完成前台界面层和后台模型层间的数据交互。

图2 虚拟过程控制实验系统结构图

2 虚拟过程控制实验教学系统实现

2.1 后台模型层实现

(1) 水箱模型。选取单容水箱、双容串联水箱和双容并联水箱系统，建立如下数学模型:

单容水箱

(1)

双容串联水箱

(2)

(3)

双容并联水箱

(4)

(5)

采用Matlab编写上述3个模型的微分方程函数，并采用四阶-五阶Runge-Kutta算法ode45进行仿真。

(2) 控制算法实现。考虑真实水箱系统阀门存在上下限约束，因此设计抗积分饱和PID控制器对水箱液位进行控制。其思想是：当控制量进入饱和区后，只执行削弱积分项的累加，而不进行增大积分项的累加。具体算法如下：

(6)

式中:

E(k)=

(7)

2.2 数据通信层实现

前台界面层与后台模型层之间的实时数据交换是整个实验平台的关键，选用了ActiveX和OLE for Process Control OPC (OPC)的方法开发，实现WinCC对Matlab引擎的调用与数据通信。

(1) 基于ActiveX技术的Matlab引擎调用与仿真进程控制。WinCC软件中内置VB脚本支持ActiveX Automation 控制端协议，通过建立ActiveX连接，实现对Matlab引擎的调用，并控制仿真进程，主要方式如下：

Dim matlab % 定义全局变量

Set matlab=CreateObject("Matlab. Application")

%打开Matlab引擎

matlab.Execute (“fun”) %运行以fun命名的函数

仿真进程控制是通过编写Start、Stop、Pause、Continue 4个函数，依靠控制定时器来实现的。定时器函数中指定了仿真模型与控制算法，并通过控制定时器中Period参数来设置仿真间隔时间。

(2) 基于OPC技术的数据通信。本系统将WinCC作为OPC服务器，Matlab作为OPC客户端，数据通信首先在WinCC中设置内部变量，然后在Matlab中编程实现，主要代码如下：

hostinfo = OPCServerinfo(′localhost′)；

%查询本机上所有可用OPC服务器

da=opcda(′localhost′, ′OPCServer.WinCC.1′);

%通过OPC创建访问目标WinCC

connect(da); %连接WinCC OPC服务器

grp=addgroup(da, ′mygroup′); %建立组

Item1=additem(grp,′var′) %增加项

其中var即是WinCC内部变量中需要通信的变量名称。

所研系统的仿真流程如图3所示。

2.3 前台界面层实现

前台程序主要实现人机交互界面，由初始界面、单容水箱实验界面、双容串联实验界面和双容并联实验界面组成。系统初始界面如图4所示，主要包括实验界面切换按钮、退出按钮和实验说明。

根据教学过程中的需求，单击单容水箱、双容串联、双容并联按钮进入对应的实验界面。实验界面主要分为水箱动态可视化显示、控制算法参数设置、过程实时曲线、系统功能按钮4个区域，如图5(a)、6(a)所示。其中，水箱动态可视化显示给出了水箱系统在被控过程中的液位状态，其在不同实验界面里根据不同水箱组合而不同；控制算法参数设置设计了SV、PV、OP以及PID参数的图形交互接口，以及SV、PV、OP的柱状图显示；过程实时曲线主要用于实时显示水箱液位；系统功能按钮包括了实时/历史曲线切换按钮、返回主菜单、运行、暂停等按钮；历史曲线如图5(b)、6(b)所示。

图3 仿真流程图

图4 系统初始界面

图5、6分别为单容水箱阶跃实验和双容串联水箱PID控制实验。实验开始运行时，点击“运行水箱系统”，后台仿真模型启动，并与前台界面交互数据，左侧的工艺流程图将以动态的方式显示给操作人员，通过流程图里水箱液位以及柱状图直观反映出控制效果。系统运行同时，右下方的图表里会形成液位的实时数值曲线图，若需要和历史曲线进行比较分析，点击“历史曲线”按钮即可读取前一时刻的液位数值曲线图。

(a) 监控界面

(b) 历史曲线图

(a) 监控界面

(b) 历史曲线图

3 翻转课堂实施

过程控制系统的授课对象为三年级工业自动化专业学生，已具备一定的自动化专业知识和编程基础，适合开展基于虚拟仿真实验系统的翻转课堂教学,该翻转课堂组织流程如图7所示，主要分为课前导学、课中教学和课后提升3个阶段。

图7 课程组织流程图

(1) 课前导学。本文所设计的翻转课堂模式课前以学生自主学习、自主仿真实验、交流讨论为主。首先教师借助网络多媒体技术，从教学内容以及学生实际水平出发，将课程知识点进行总结归纳，制作成PPT等资料形式发放给学生。根据资料上所包含的知识点，学生在课前进行自主学习，然后在虚拟仿真平台上独立自主地进行仿真实验，进而根据实验结果进行讨论。同时教师借助目前网络交流软件建立一个讨论平台，学生可以在此进行课前内容讨论，讨论的结果通过小组之间互评、个人评价等评价方式进行总结，以促进学生自我学习动力的生成与保持。

(2) 课中教学。首先学生对课前学习中的难点、疑点以及仿真时出现的问题进行组内讨论，并以小组为单位进行组间学习交流，以此深化课前学习的内容，巩固学生对于知识点的理解。教师根据讨论结果，总结出学生课前学习无法掌握的难点，并根据设计的实验系统现场进行仿真实验。通过仿真实验的验证，对学生存在的疑点进行一一解答。答疑期间，教师针对知识点进行进一步的拓展，并让每个小组针对拓展的知识点进行讨论并仿真，不仅促进学生的合作学习的能力，而且让各个小组进一步把握难点，实现知识的升华。

(3) 课后提升。采用翻转课堂的模式，能够使学生针对知识点进行自主创新实验，例如在目前采用抗饱和PID情况下，将其改为梯形积分、变速积分PID等其他控制方式，或者根据实验平台尝试控制其他种类的水箱，例如三容水箱、分离式双容水箱，亦或者将上述水箱中的阀门改成由泵来控制流量。学生针对不同的角度对原实验平台加以创新，将得到的结果在课后进一步讨论，教师则针对讨论出的不同结果进行点评，进一步完善学生对于这门课程的理解程度。

4 结 语

为更好地开展过程控制系统翻转课堂教学，提高工程专业学生自主实践创新能力，开展了基于虚拟过程控制实验教学系统的翻转课堂教学实践。首先以教材和实验中广泛使用的水箱为背景，将WinCC和Matlab相结合，基于OPC技术开发了虚拟过程控制实验教学系统。然后围绕该虚拟实验教学系统，构建了过程控制系统的翻转课堂教学模式。采用该教学模式，学生对工业过程控制工程有了更深的认知，拓展了学生的实验创新思维，同时增加了学生的工业实践兴趣，并将教师从繁琐重复的教学任务中解放出来，使其能有更多的时间与学生进行深入的交流，提高了教学的效率和效果。