研究生课程“控制系统仿真”的教学改革

2011-08-09王书斌罗雄麟

电气电子教学学报 2011年4期

王书斌,左信,罗雄麟,许锋

(中国石油大学(北京)自动化系,北京 102249)

0 引言

“控制系统仿真”是自动化类、机电类、电气信息类专业以及其它相关专业的一门重要专业课程[1]。开设该课程的目的可以培养研究生运用所学的控制理论解决问题的实践能力,并可以让研究生能够更快地开展学位论文工作。但我校“控制系统仿真”目前主要存在如下问题:①忽视实验教学环节,导致理论与实践脱节;②自动化系研究生的学位论文主要涉及过程控制和流程模拟与优化、电力系统控制、先进控制理论的研究等,涉及的软件有gPROMS、UniSim、ETAP、Matlab等,而在“控制系统仿真”课程中只涉及了Matlab,造成写论文前需要重新学习这些软件,没有起到承上启下的作用;③讲课的内容与本科生课程“控制系统仿真”重复过多。鉴于以上几种情况,我们对该研究生课程进行了改革。

1 课程主线的制定

“控制系统仿真”课程的教学主线包括:流程模拟与优化仿真、先进控制系统仿真、电力系统仿真及应用的仿真工具(Matlab、gPROMS、UniSim、ETAP等)。

Matlab软件包括 Matlab和Simulink两大部分。gPROMS流程模拟软件是PSE公司开发的通用工艺过程模拟系统,为当今世界上先进的工艺过程建模、模拟和优化软件包。gPROMS适用于加工业,用来建立连续或间歇工艺过程的模型,进而对工艺过程进行模拟和优化。UniSim是Honeywell公司将原有的动态仿真系统Shadow Plant,OTISS与H YSYS整合后,形成了集流程设计、静态模拟、动态仿真和过程优化于一体的综合软件。ETAP软件是美国Operation Technology,Inc.公司开发的一种电力系统仿真分析软件,具有虚拟现实操作、数据的全面集成和简明数据录入等特点。

课程包括实验和课堂授课两种方式,在课时安排上加大了实验课课时,可以提高学生解决问题的能力。在课堂授课中采取理论讲解和仿真演示并用,可以增加学生的学习兴趣。

2 仿真理论和仿真工具

仿真理论部分内容包括:控制系统仿真中易遇到的问题、流程模拟与优化仿真、预测控制系统仿真、模糊预测控制仿真和电力系统仿真等。控制系统仿真的问题主要介绍在一般控制系统仿真过程中的难点、当仿真失真时需要调节哪些参数等;流程模拟与优化仿真主要讲述对于复杂的过程如何实现仿真,仿真过程会遇到哪些问题等;预测控制系统仿真主要从仿真角度出发讲述对于复杂的被控对象有哪些预测控制算法、如何选择与实现预测控制算法和在仿真过程中需要设计哪些参数等;模糊预测控制仿真主要讲述模糊控制主要有哪些、如何选择和实现仿真和仿真时需要注意哪些问题等;电力系统仿真主要讲述电力系统的组成和如何实现电力系统的仿真等。

仿真工具部分教学内容如下:Matlab及Simulink交互式仿真环境、电力系统仿真软件ETAP软件应用、动态流程模拟软件gPROMS应用及流程模拟软件UniSim应用。该部分的只是让学生初步了解仿真软件,在做学位论文时还需深入的了解所用到的相关软件。

3 实践环节

研究生的实验课中,综合设计性的内容占本课程的90%以上。我们利用购买的Matlab和ETAP正版软件,安排了如下综合设计性的实验课:①连续全返混式反应釜(CST R)非线性控制系统仿真试验;②CSTR控制系统的预测控制仿真实验;③CSTR控制系统的模糊控制仿真实验;④电力系统仿真试验及复杂化工过程gPROMS软件仿真试验;⑤复杂化工过程UniSim模拟试验。

综合性实验课以化工过程CST R为主线,本课程实验采用如图1所示的串级CSTR非线性控制系统。该系统有一个混合了反应物和溶剂的进料流、一个输出流和一个冷却水流。

图1 CST R方框图

图中qc为冷却水流量,q为进料流量,C1,C2出口浓度,,为出口温度。状态变量x,系统输出y和操纵变量u分别定义如下:x=[C1,T1,C2,]T,y=,u=qc,即通过控制冷却水的流量qc控制反应器的出口温度T2。

实验课主要围绕该系统循序渐进展开,实验①CST R非线性控制系统仿真试验主要让学生了解该系统的特性,为以后的控制实验打下基础;实验②和实验③主要让学生把所学的预测控制理论及模糊控制理论应用于CSTR系统;实验④和实验⑤主要利用gPROMS和UniSim软件实现CST R系统的模拟与优化。

本课程总课时共32课时,实验实践课从原来的10课时增加到20课时,占总学时的62.5%。为了保证实验教学质量,我们做到如下要求:①提前两天将实验内容布置给学生,要求在实验前写预习报告;②保证学生人手一机;③加强考勤,在实验过程中教师全程答疑辅导;④实验后通过电子邮件提交电子版实验报告,教师进行批改和评分。