“计算机过程控制工程”在线教学实验探索与实践

［摘 要］ “计算机过程控制工程”是实践性很强的自动化核心课程，学生实验教学环节却面临无法到实验室操作仪器设备的难题。为了解决上述难题，“计算机过程控制工程”课程重点在实验教学方面进行了深入的探索与实践，具体开展了水箱液位控制远程实体实验的改革创新。借助向日葵远程控制软件的远程接入能力和无线视频监控设备，实现学生在校外对实验室现有三容水箱液位控制实验装置的远程监控与操作，解决了现场操作实验课程线上难开展的问题。

［关键词］ 在线实验教学；过程实验；计算机过程控制

［基金项目］ 2022年度北京石油化工学院教育教学改革和研究项目“‘双一流’建设背景下的计算机过程控制工程课程教学改革与实践”（ZD202003001）；2023年度北京信息科技大学教学改革重点项目“新工科背景下的智能测评系统研究与实践——以计算机控制系统课程为例”（2023JGZD02）

［作者简介］ 李振轩（1985—），男，山东菏泽人，工学博士，北京石油化工学院信息工程学院副教授，硕士生导师，主要从事高等职业教育、控制理论研究；范玲玲（1987—），女，河北唐山人，工学博士，北京信息科技大学自动化学院自动化系主任，副教授，硕士生导师，主要从事高等教育、数据驱动滤波与控制研究；刘 昱（1983—），男（回族），云南楚雄人，工学博士，北京石油化工学院信息工程学院副院长，教授，主要从事高等教育、大学生思想政治教育研究。

［中图分类号］ G434；TP3-4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）17-0137-04 ［收稿日期］ 2023-03-06

引言

2020年，时任教育部高等教育司司长的吴岩提出，高校复学之后，在线教学将从“新鲜感”走向“新常态”，从“单声道”向“双声道”转变。为了保证教学质量，教育界的专家学者以及教师从授课平台、授课形式、考核方式等多个角度进行了探讨和分析，尽管学校已经有了丰富的教学管理经验和教学实践经验，但是对于如何高质量地开展在线教学仍显经验不足，需要进行动手操作的实验教学课程在推进过程中会遇到更大的困难［1-5］。

计算机过程控制工程是将计算机技术应用于工业生产过程中的控制工程。它主要涉及对生产过程中的物理量、化学量、电气量等进行监测、控制，以达到工业生产的目标。计算机过程控制工程的主要任务是设计和开发控制系统，并负责控制系统的安装、调试和运行。实验是计算机过程控制工程课程中重要的一环。通过实验，学生可以深入理解系统的基本原理、掌握系统的设计方法和调试技巧，培养实践能力和解决实际问题的能力。文献［6］在实验中加入了系统辨识内容，并将翻转课堂引入实验教学，使学生对理论知识有更加深刻的理解，培养学生解决实际问题的能力，提高其解决问题的能力以及培养学生团队协作能力。文献［7］基于PPT+MOOC形式的线上线下混合式教学，对课堂教学进行教学改革，将“模块化”“可视化”“虚拟现实化”等设计方法融入课程教学中，满足了混合式教学及翻转课堂的需要。文献［8］开发了基于组态软件的虚拟仿真实验，该仿真实验在教学内容、教学模式、实验内容等方面的探索降低了教学难度，强化了学生实践能力，提高了学生综合素质。上述工作包括对实验内容的优化、实验教学方法的改变以及实验教材的改革等，能够在正常的教学秩序中发挥作用。

水箱液位控制实验，采用传统的线下教学模式，学生通过“看、操、调”的方式，理解水箱液位控制工艺、掌握获取对象数学模型的方法、系统的投运参数整定方法。本论文将研究远程实验的设计方案，增加实验的灵活性，使学生可以灵活开展实验，不受时间和地点的限制；另一方面增加人机交互的真实感。实现了学生在校外对实验室现有三容水箱液位控制实验装置的远程监控与操作，解决了现场操作实验课程线上难开展的问题。

一、远程教学环境开发

课程重点在实验教学方面进行了深入的探索与实践，具体开展了水箱液位控制远程实体实验的改革创新。教师在实验室启动实验设备，利用已搭建的实验室网络，借助向日葵远程控制软件监控设备，学生在校外对实验室三容水箱液位控制实验装置进行远程监控与操作。

（一）实验室网络化改造方案

系统包括工艺装置和控制服务器。控制服务器是运行上位机控制程序的平台，学生远程登录控制服务器，将控制服务器通过无线的方式与实验室的无线路由器连接，保证控制服务器连接互联网；RS485通信速率高，运行稳定，利用RS485实现实验工艺装置电气柜与控制服务器的双向通信，保障控制信号及采集的液位信号稳定高速传递；此外，实验还配置了将实验室真实画面远传给学习端的视频监控设备，学生可以看到液位高度的变化、控制阀的动作，增加了学生实验的操作感。实验室网络拓扑结构如图1所示。

（二）远程接入

采用远程桌面接入的方式来访问实验室。向日葵软件是一个支持多系统多设备间相互远程控制的软件，具有远程管理、远程办公等功能。通过使用向日葵软件，可远程控制其他电脑。在每台控制服务器的后台安装向日葵远程控制软件，教师记录每台机器上向日葵的ID和密码；学生利用教师分发的ID和密码即可登录对应的控制服务器，在家中打开水箱液位控制系统软件和视频监控界面。

（三）视频远程监控

利用视频监控，学生能够感受真实的实验场景。实验室装备了TP-LINK无线监控室外摄像头云台球机，云台球机控制平台基于B/S架构进行设计。学生通过已分配的云台球机账号及登录密码，即可登录云台球机控制台，远程实时观察实验环境，包括液位高度、控制阀开度等。

二、实验操作流程

本次过程控制实验选用A3000过程控制装置进行控制系统设计及实验，包括四项实验内容。

（一）了解过程控制实验装置，选择工艺流程、构成控制系统

过程控制实验装置包含现场系统和控制系统组成，A3000现场系统包括三容水箱、一个锅炉、一个强制换热器、两个水泵、两个流量计、一个电动调节阀、一个加热盘管、一个储水水箱。

控制系统的工艺为储水水箱的水通过一个手动调节阀进入水泵，然后流经电动调节阀，再经过一个手动调节阀，最后流入水箱，水箱出水挡板开度一定，水会通过管道流回储水水箱。

（二）采用阶跃响应曲线法进行液位对象动态特性的测试、获得动态数学模型，获得PID控制器参数值的工程经验初始值

阶跃响应曲线法获得水箱液位动态数学模型的步骤为：系统处于手动操作状态，调节阀固定开度，待液位进入平衡状态；调节阀增加一定开度，待液位再次进入平衡状态；记录液位从第一次稳定到第二次稳定的输出变化曲线以及调节阀开度的变化量；按照扩充响应曲线法整定参数，得到被控对象的模型参数；根据PID参数整定表确定PID的初始参数。

（三）液位控制系统的投运，参数整定

按照4∶1衰减曲线法整定参数的步骤为：先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值。在达到稳定后，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察被控变量记录曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4∶1衰减比，记下此时的比例度，得到衰减周期Ts，最后求出控制器的参数整定值。

（四）液位控制系统的抗干扰实验

本实验以下水箱为被控对象，要求系统被控量在系统受到干扰的情况下，仍能够回到原平衡状态，控制规律为PI或PID。在液位稳定时，使用其他容器向水箱内注入水，观察液位是否再次回到原来的液位高度。

学生在开始实验前，观看老师录制的视频，包括实验装置的讲解、实验注意事项以及实验流程操作，在此基础上，完成实验预习；当学生通过观看录制的视频后，进入实验指导教师的腾讯会议，询问实验指导教师对实验装置的准备情况，包括实验装置的接线是否完成、水箱的出水阀门开度是否固定、水箱的进水阀门是否完全打开、向日葵远程控制软件是否打开等，实验指导教师确认上述内容全部准备完毕，学生使用向日葵远程控制软件连接实验室的控制服务器；待远程连接成功，学生获得实验室控制服务器的操纵权，图2为学生实验的操作流程图。

三、实验教学应用效果

2022春季学期，学生按照既定的分组进行实验，学生在家操作实验室的三容水箱液位控制设备，远程实验效果与线下实验效果近似，都能够顺利完成水箱特性测试实验和控制器参数整定实现液位输出曲线的4∶1衰减比。从整体效果来看，线上实验教学仍能够有效地提高学生的实际动手能力和实验技能。

四、存在的问题及远程实验改革总结

在远程实验教学的实施过程中，有如下问题有待进一步改革创新：（1）学生的实验室真实体验感有待提高，当前每个实验室安装了一个云台监控设备，角度固定，同学们只能看到一个静止的画面，下一步将开发远程端的云平台操作，进行调焦、上下/左右旋转，实现远端对水箱各部分的动态监控。（2）远程登录软件功能的增加，当前只使用远程登录软件的基本功能，学生在实验的过程中，每次开机登录账号会发生变化，并且稳定性差，需要每次向同学们更新账号并且同学们在远端操作会出现连接中断的问题，下一步将购买稳定版本的远程登录软件。

课程在线教学实验探索与实践，实现了学生在校外对实验室现有实验装置的远程监控与操作，解决了现场操作实验课程线上难开展的问题。此外，探索了在线教学实验，对于实验条件丰富的教学单位，利用提出的远程实验框架，可为实验条件差的边远山区提供实验平台，实现资源的共享。

参考文献

［1］薛庆.在线教学的共情课堂建设与实践［J］.计算机教育，2020（10）：28-31.

［2］ABUHASSNA， Al-RAHMI， YAHYA， et al. Development of a new model on utilizing online learning platforms to improve students’ academic achievements and satisfaction［J］.International journal of higher education， 2020，17（38）：1-23.

［3］李惠民.突发事件背景下互动式在线教学模式的构建［J］.教育教学论坛，2020（43）：148-149.

［4］吴晓林，岳庆磊.建构主义视角下的大学在线教学及其改进建议：以新冠疫情期间在线教学为例［J］.广西师范大学学报（哲学社会科学版），2020，56（5）：59-68.

［5］GUO Si-ming.Synchronous versus Asynchronous Online Teaching of Physics during the COVID-19 Pandemic［J］.Physics education，2020，55（6）：9.

［6］卢洁莹，苏为洲.过程控制系统辨识实验与翻转课堂教学探索［J］.实验技术与管理，2020，37（12）：225-229+249.

［7］韩云涛，彭秀艳，魏延辉.“工业过程控制”精品课程建设与教学模式探究［J］.黑龙江教育（高教研究与评估），2020（8）：38-39.

［8］陈磊，任银娥，张红欣.过程装备与控制工程专业教学探索与改革［J］.山东化工，2020，49（19）：137-138+142.

Exploration and Practice of Online Teaching Experiment of Computer Process Control Engineering

LI Zhen-xuan1， FAN Ling-ling2， LIU Yu1， ZHAO Guo-xin1， WEI Qing-xuan1