摘要：介绍了在自动控制原理、分散控制系统（DCS）和过程控制系统等课程中采用仿真技术开展基于行动导向教学的实践研究成果。在自动控制原理课程中，以MATLAB为仿真工具，开展任务—行动—总结等方式的基于行动导向的教学；在DCS课程教学中，采用虚拟DCS和真实DCS相结合的教学方式，使学生在基于虚拟DCS的仿真教学中得到充分训练，在真实DCS教学中，达到对硬件系统的直观认识；在过程控制系统等课程教学中，以基于虚拟DCS的激励式仿真机为行动工具，开展基于行动导向的教学。
关键词：DCS；过程控制系统；自动控制原理；仿真；行动导向教学
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0053-02
目前，电力类高职高专院校火电厂热工控制技术专业的主要课程教学中，热工检测仪表、自动控制装置等课程均可基于实际设备教学，设备基本能满足教学要求。分散控制系统（DCS）课程，部分院校采用纯理论教学，部分院校基于实际设备进行实训教学。但由于DCS设备硬件较贵，各院校一般只能配备1～2套DCS设备，远远不能满足教学要求。自动控制原理、过程控制系统、电厂程控保护系统等課程，由于难以实现真实工厂环境教学，也未找到有效的仿真教学方法，绝大多数院校还采用传统的理论教学方式。采用纯理论教学方式教学，学生感到抽象、难学，大大影响了教学效果。为此，有的院校在自动控制原理、过程控制系统等课程的教学中采用MATLAB软件作为实验工具，进行少量实验教学，但这远不能满足课程教学的需要。
自动控制原理、分散控制系统（DCS）、过程控制系统等课程由于硬件条件的限制难以实现真实工厂环境教学，那么能否找到有效的仿真教学方法，采用仿真技术开展基于行动导向的教学呢？保定电力职业技术学院（以下简称“我院”）自动化专业教师在这方面做了大量的探索研究工作。
一、基于MATLAB软件在自动控制原理课程中开展行动导向教学
自动控制原理是一门理论性较强的工程科学，其具有三个特点：概念抽象；与数学联系紧密；实践性强。[1]目前大多数院校自动控制原理课程教学仍采用理论教学，伴有少量实验。由于理论较深，概念过于抽象，致使学生学习起来十分吃力，难以掌握自动控制原理的基本思想和基本方法。
自动控制原理是一门具有较强实践性的工程科学，若将抽象出来的理论返回到实践中，将理论与实践相结合，则必然能提升学生学习自动控制原理课程的兴趣，降低学习的难度。因此开发基于行动导向的学习情境，将抽象的理论形象化，是解决学生学习自动控制原理课程困难的关键。自动控制原理课程基于行动导向教学的媒介可采用MATLAB软件。
MATLAB是国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，在科学运算、自动控制与科学绘图等领域具有其他软件无法替代的地位，已成为全世界控制系统计算机辅助设计领域中最流行和最受欢迎的软件。MATLAB可以把几乎所有的控制原理分析技术都用实验的方式显现，[2]MATLAB 中的Simulink使系统的建模和仿真变得简化、直观、形象。基于此，我院自动化专业教师进行了基于MATLAB软件在自动控制原理课程中开展行动导向教学的研究。
在自动控制原理课程教学中，以MATLAB作为主要的仿真工具，采用任务—行动—总结、任务—案例—学生做等模式进行行动导向教学。如在教学中可首先下达任务，提出学生要解决思考的问题；接着以MATLAB为工具通过学生的行动实现启迪；最后伴随行动总结得出结论。例如，在比例控制规律教学中，首先可以给学生下达任务：启动MATLAB的Simulink，组态比例控制系统，设置不同的比例系数KP，观察控制曲线和动态性能指标，分析比例带大小对控制过程性能指标的影响。同时提出学生在行动中应思考的问题：控制过程结束后系统是否存在稳态误差，等等。接着让学生在simulink中进行组态、实验，在行动中观察比例控制规律的特性，总结比例控制规律的特点。最后，教师和学生一起分析、总结，完成教学。
二、采用虚拟DCS实现分散控制系统（DCS）课程的基于行动导向教学
DCS在火电厂中得到广泛的应用，在为数众多的工业企业中也得到了大量的应用，是目前极为重要的控制方式。各院校都很重视DCS教学，目前大多院校都购置了DCS硬件。但由于DCS硬件及对象费用较高，各院校一般只能配备1～2套相关设备。在教学中，由于设备少，学生只能一组一组地实验，大大影响了教学效果，不利于教学工作的开展。
如何解决DCS硬件设备少，学生缺少动手学习机会的问题呢？可设计如图1所示的实训室建设方案。[3]在该方案中，建设1～2套含有真实DCS控制柜和硬件对象的真实DCS系统；同时，开发包含虚拟控制柜和仿真对象的虚拟DCS系统。虚拟DCS系统可在学生计算机上实现，每台计算机上都有一套。在教学时，学生先在虚拟DCS系统上进行系统的组态、下载、运行调试等。此过程和在真实DCS上完全一致，绝大部分DCS的训练内容都可在此虚拟DCS系统上完成。在学生经过充分训练后，可再通过完成对真实DCS系统的控制、硬件的检测，达到对真实DCS硬件系统的直观认识。
自动化专业DCS实训室建设了一套含有新华DCS控制柜和高级过程控制对象的真实DCS硬件系统，同时基于新华DCS的虚拟DPU开发了一套和实验室真实硬件对象完全相同的虚拟对象和虚拟DPU控制柜。教学中，学生首先在虚拟DCS系统上进行数据库、画面、控制逻辑等等的组态，组态可下载到操作员站和虚拟DPU中，并可在虚拟DCS系统中进行系统的运行、调试和投参数等。在虚拟DCS系统上完成控制系统的设计、调试后，只需将组态中的输入、输出接口根据实验室中真实DCS硬件的接口做相应修改（其余组态均不需改变），将组态下载到真实DCS中，即可实现对实验室真实DCS硬件过程控制系统的控制。在虚拟DCS系统上教学时，除不能完成卡件维护等涉及硬件维护的教学外，几乎可以完成在真实DCS上所能完成的所有DCS的教学。此种方式，由于学生可在虚拟DCS系统上得到充分训练，大大提高了教学效果。
三、采用基于虚拟DCS的火电机组仿真系统在过程控制系统课程中开展基于行动导向教学
基于行动导向开展火电厂过程控制系统课程的教学是热工自动化教师长期以来探索研究的一个问题。但是由于火电厂热工控制系统的复杂性和火电机组对象在教学环境下的不可复现性，很多高校教师都探索采用仿真技术来实现该课程的教学。目前最常见的方式为采用MATLAB进行过程控制系统的仿真教学。但由于该方式的局限性（见下1所述），有些教师考虑采用全激励式仿真机开展过程控制系统的教学，但难以实现（见下2所述）。为此，自动化专业教师尝试采用基于虚拟DCS的激励式仿真机开展过程控制系统等课程的教学（见下3所述），并取得了良好的教学效果。
1.采用MATLAB实现过程控制系统的仿真教学
在该种方式下，主要是让学生在MATLAB中的Simulink环境下进行控制系统的组态（例如图2所示），进行仿真实验，观察控制效果。[4]
该种方式被大多数院校用于过程控制系统课程中进行实验教学，也有个别学校基于此方式在过程控制系统课程中开展行动导向教学。自动化专业教师前期也做了基于MATLAB的行动导向教学的探索和研究，在该方式下学生可以采用数学模型进行系统的组态，进行系统的投参数实验，观察控制效果。该种方式只能基于行动导向完成过程控制系统课程的部分内容教学，但难以实现协调控制等复杂控制的教学。特别是采用MATLAB仿真方式，距离实际工厂环境差距巨大，学生不能得到面向工厂环境的真实训练。虽然如此，由于没有更好地基于行动导向教学环境，这也是目前大多数高校在过程控制系统课程教学中不得不采用的方法。
2.采用全激励式仿真机开展过程控制系统的教学
随着火电厂仿真技术的发展，产生了全激励式仿真机。全激励式仿真机保留了分散控制系统的软硬件，锅炉、汽机、电气等对象用仿真模型实现，仿真支撑系统模型运行在模型计算机上。在全激励式仿真机中，DCS部分与电厂完全一样，可以保留电厂分散控制系统的全部功能。因此，学生可在全激励仿真机上进行逻辑的组态、逻辑的修改，系统的运行、系统的调试等。学生如临电厂真实的DCS工作环境，可以得到在现场工作一样的真实训练效果。[5，6]
但是由于全激励仿真机保留了分散处理单元（DPU）硬件，造价高，一个学校配置一套完全复现火电厂的全激励式仿真机已实属不易了。众多的学生要在一套全激励式仿真机上开展基于行动导向的过程控制系统课程教学，教学效果显而易见是不会很好的。因此很少有学校依靠全激励式仿真机开展基于行动导向的过程控制系统课程教学。
3.采用基于虚拟DCS的激励式仿真机开展过程控制系统等课程的教学
由于全激励式仿真机的造价高，近年来产生了基于虚拟DCS的激励式仿真机。所谓虚拟DCS就是将真实DCS在非DCS的计算机系统中以某种形式再现。在虚拟DCS中，由虚拟DPU取代真实DPU硬件设备。虚拟DPU在非DCS的计算机上实现，实际分散控制单元中的DPU功能移植到虚拟DPU软件上。这样整个虚拟DCS系统就可以脱离数据采集及数据运算硬件设备而工作，节省大量硬件投资。图3是实际DCS系统与激励式仿真机系统的比较。[7]
虚拟DPU实现了和真实DPU几乎完全一致的功能，火电厂的逻辑组态和人机界面（HMI）组态可以直接拷贝到基于虚拟DCS的激励式仿真机中。在此仿真机上，学生可进行逻辑的组态、逻辑的修改，系统的运行、系统的调试等。学生所处的环境和电厂真实的DCS工作环境几乎完全一致，[8]学生可以得到和在火电厂真实环境几乎完全一致的训练。由于基于虚拟DCS的激励式仿真机造价较低，一个实训室可配备多套，这样学生可以分成多组，每组学生都可以在此种仿真机上基于行动导向学习，都可以得到充分的学习和训练机会。
我院自动化专业实训室建设了9套基于虚拟DCS的火电机组仿真系统。上位控制软件为某火电厂完全真实的拷贝版，其运行在虚拟DCS上，锅炉、汽机等被控对象采用计算机仿真。教学时，按照给水控制系统的调试、燃烧控制系统的调试、……协调控制系统的调试等项目开展基于行动导向的教学。学生可在此系统上进行火电厂各热工系统的组态修改、投运、调试等工作，其和真实现场工作环境完全一致，因此大大提高了教学效果。
四、结语
基于上述仿真技术开展基于行动导向教学，由于学习环境和现场工作环境几乎完全一致，所学即为所用，提高了课程教学的针对性和适用性。学生在学习中基于行动导向自主解决问题，提高了学生的兴趣，降低了学习难度。同时在虚拟仿真环境，学生可做一些在现场不敢做的技术尝试，提高了学生的技术应用能力。总之，上述将仿真技术应用于热工控制技术教学的方式，将可以很好地解决硬件设备贵和工厂环境难以再现的问题，从而促进高职院校自动控制原理、分散控制系统（DCS）和过程控制系统等课程基于行动导向教学的开展。
参考文献：
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（责任编辑：王意琴）