过程控制实验装置的功能比较与选型

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1、保密资料过程控制实验装置的功能比较摘要：本文针对目前市场上存在的水槽实验装置与基于仿真技术的半实物过程实验装置（MPCE与SMPT）的优缺点进行了客观对比，以帮助用户按照自己的实际教学需求，选购正确的实验装置。任何一种实验设备均有其优点与缺点，客观地讲，既没有完美的实验系统，也没有一无是处的实验系统，只有最适合自己教学需求的实验系统。只有在全面、客观地分析各种实验设备的长处与短处后，才能够帮助我们更加科学地选用与自己教学内容、层次和要求相符合的实验设备。总体来讲，水槽实验装置由于使用真实的检测单元和小型物理对象，具有真实、直观的优点。在

2、学生刚接触专业时，对其培养学习兴趣、建立控制系统感性认识等方面都大有益处。然而，由于它的被控对象过于简单、检测点与执行机构数量过少，导致控制实验的方案无法改变，只能进行简单的重复，因此无法进行设计型实验，在课程设计和毕业设计环节中教学效果很差，往往会产生相互抄袭或者仅去记忆操作步骤等问题。另外，由于实验装置采用水作为工艺介质，与工业现场相差太远，在其上培养的控制技能很难应对将来工厂的实际工作。因此我们建议控制专业的学生在入门阶段，比如认知实验中采用水槽实验装置。其教学目的主要是让学生理解控制系统的组成，并对控制系统有一个直观的认识。但是

3、由于其维护和使用的成本很高，实验效果的重复性较差，因此最好采用教师演示实验的方式，或让学生进行一些简单的原理验证性实验，台套数不必太多。8保密资料MPCE-1000是第一套采用仿真技术构建的半实物过程控制实验装置。它主要针对水槽实验装置与工业实际装置对象特性相差太远的弊病而设计和开发。由于采用工业级动态数学模型代替水构建被控对象，因此在对象特性的类型上大大丰富，把工业装置中高温、高压等危险性环节也引入到实验中，可以允许学生在接近工业现场的环境下进行非常真实的控制技能学习。此外，由于装置中的检测点与控制执行机构数量众多，并且特性可调，这就

4、允许学生可以开展设计型、综合型和创新型的实验，与教育部对目前实践教学的指导思想完全一致。随着MPCE-1000在各兄弟院校的推广应用，得到了来自教师和学生的热烈欢迎。应当说，基于仿真的半实物过程控制实验装置因其突出的工程性、灵活性等特点，获得了大专院校的广泛认可，已经成为实验装置发展的趋势之一。然而，作为基于仿真技术构建的过程控制实验装置的首次尝试，MPCE-1000也有考虑不周的地方。这里要感谢我们许多的用户、参赛的教师和学生对MPCE实验装置提出的宝贵意见和期望。首先，MPCE的外观采用了平面布局，与真实装置的空间立体布局不符。管路

5、和设备上没有真实的检测设备，只有逻辑意义上的信号插孔，在直观上较差。第二，更关键的问题还在于所采用的工艺流程集中在化工行业。对于绝大部分过程控制专业的本科学生而言，高分子聚合工艺过程与催化剂合成这两个工艺在机理上很难理解，对这两套工艺进行对象特性的分析就更难了。实际教学过程中，需要占用他们大量的时间来理解工艺过程，导致学生无法在有限的课8保密资料堂时间内把精力更多地放在控制方案和算法的设计和实验上。经回访调研，大部分用户在日常本科教学中事实上放弃了这两个流程，仅在一些简单的对象上进行实验，仿真实验装置的优势得不到充分发挥。另外，在教学内

6、容体系上，由于该装置在设计中并未与当前的过程控制教学大纲相符合，许多过程控制教材中所涉及的被控对象并没有在装置中体现，导致教师的教学热情不高。最后，对象特性不可变，设备的可靠性、灵活性、可扩展性等方面都有进一步提高的空间。总之，由于工艺流程过于专业化、教学体系不成熟等问题，直接影响了MPCE-1000在过程控制教学中的深入应用，仿真实验装置的优点得不到充分的表现。针对MPCE-1000所显现出来的问题，同时还吸收和借鉴了水槽等物理装置长处的基础上，我们重新设计和开发了SMPT-1000通用型过程控制实验装置。SMPT-1000采用水汽热

7、能系统作为主要的工艺过程，其原理容易被绝大部分过程行业的控制专业学生理解和接受。对象的特性由易入难，由简入繁，既可以做最简单的信号检测、单回路控制实验，也可以做非常复杂的MES系统的生产调度和协调控制等高端实验。由于是在较深入地对西门子过程工程师能力模型（见下图）的讨论和研究基础上设计的实验装置，因此SMPT-1000可以完成该能力模型中十二个项目的全部实验内容，基本囊括了当前过程控制领域内所有的知识与技能点。8保密资料同时，由于在设计过程中，我们着重参考了现行过程控制教学的指导大纲和主流过程控制教材内容，因此实验装置所提供的被控对象与

8、大部分主流过程控制教材中的案例一致（如蒸发器、换热器、加热炉和锅炉的控制等），容易做到课堂教学与实践环节相一致，激发了课堂教师参与实践教学的热情。此外，值得一提的是，该装置的流程涉及多级换热网络、能量转换及