TWPCS-1C單容水箱液位PID控制、PLC上下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)
《TWPCS-1C單容水箱液位PID控制與PLC上下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)實(shí)踐探究》
一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備概述與教學(xué)價(jià)值
TWPCS-1C單容水箱液位PID控制與PLC上下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)是我們自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)中不可或缺的重要實(shí)訓(xùn)設(shè)備。這套系統(tǒng)由上海方德自動(dòng)化設(shè)備有限公司研發(fā)生產(chǎn)，專門為職業(yè)院校自動(dòng)化控制、機(jī)電一體化等專業(yè)的學(xué)生設(shè)計(jì)，能夠完美模擬工業(yè)生產(chǎn)中常見的液位控制過程。
作為一線教師，我特別欣賞這套實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)理念。它將機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器檢測、PLC控制和上位機(jī)監(jiān)控等現(xiàn)代工業(yè)控制要素有機(jī)整合，形成了一個(gè)完整的教學(xué)系統(tǒng)。在實(shí)際教學(xué)中，我發(fā)現(xiàn)這種"虛實(shí)結(jié)合"的設(shè)計(jì)特別符合職業(yè)教育的需求——既保留了真實(shí)設(shè)備的操作體驗(yàn)，又融入了先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)。
從教學(xué)價(jià)值來看，這套設(shè)備完美覆蓋了《PLC應(yīng)用技術(shù)》、《過程控制系統(tǒng)》、《自動(dòng)化儀表》等多門核心課程的教學(xué)要求。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀理解PID控制原理，掌握串級(jí)控制策略，培養(yǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試與維護(hù)的綜合能力。這些都是我們培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才所必需的核心能力。
二、單容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)要點(diǎn)
在單容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)中，我通常會(huì)分四個(gè)步驟引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)踐：
首先，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用有機(jī)玻璃水箱，容積約15L，配備壓力式液位傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、水泵等組件。這種透明設(shè)計(jì)非常有利于學(xué)生觀察水位變化，理解系統(tǒng)工作原理。
其次，重點(diǎn)講解PID控制原理。我會(huì)通過MATLAB仿真先讓學(xué)生看到P、I、D三個(gè)參數(shù)對(duì)控制效果的影響，然后再在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。這種"先仿真后實(shí)操"的教學(xué)方法效果顯著。
在參數(shù)整定環(huán)節(jié)，我推薦采用工程整定法。先讓學(xué)生將積分時(shí)間Ti設(shè)為最大值，微分時(shí)間Td設(shè)為0，逐步增大比例系數(shù)Kp至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記錄此時(shí)的臨界比例度δk和振蕩周期Tk，再按Ziegler-Nichols公式計(jì)算PID參數(shù)。這種方法學(xué)生容易掌握，整定效果也很好。
實(shí)驗(yàn)過程中，我特別強(qiáng)調(diào)安全操作規(guī)范：必須先檢查管路連接，確認(rèn)水箱無泄漏；啟動(dòng)水泵前確保水箱有足夠水量；調(diào)節(jié)閥開度要緩慢變化；遇到異常立即按下急停按鈕。這些細(xì)節(jié)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)至關(guān)重要。
三、上下水箱液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
上下水箱液位串級(jí)控制是這套實(shí)驗(yàn)臺(tái)的另一個(gè)重要功能，也是教學(xué)難點(diǎn)。我的教學(xué)設(shè)計(jì)通常分為三個(gè)階段：
基礎(chǔ)認(rèn)知階段：通過動(dòng)畫演示讓學(xué)生理解主副回路的概念。上水箱液位作為主變量，下水箱液位為副變量，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。這種"內(nèi)外環(huán)"結(jié)構(gòu)對(duì)干擾有很強(qiáng)的抑制能力。
方案設(shè)計(jì)階段：引導(dǎo)學(xué)生完成控制系統(tǒng)框圖繪制、I/O分配、PLC編程等工作。我鼓勵(lì)學(xué)生嘗試不同控制策略，比如單回路PID、串級(jí)PID、前饋-反饋復(fù)合控制等，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)加深理解。
系統(tǒng)調(diào)試階段：這是最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。我會(huì)指導(dǎo)學(xué)生先整定副回路參數(shù)，待副回路響應(yīng)良好后再整定主回路參數(shù)。調(diào)試過程中，要求學(xué)生記錄不同參數(shù)下的響應(yīng)曲線，分析超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)，培養(yǎng)他們的工程思維。
通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能掌握串級(jí)控制技術(shù)，更能培養(yǎng)系統(tǒng)思維和工程實(shí)踐能力。很多畢業(yè)生反饋，這些技能在他們工作中解決復(fù)雜控制問題時(shí)非常有用。
四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新與課程思政融合
在長期教學(xué)實(shí)踐中，我對(duì)這套實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用做了一些創(chuàng)新嘗試：
首先是項(xiàng)目化教學(xué)改革。我將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)成"自來水廠水位控制系統(tǒng)"、"化工反應(yīng)釜液位控制"等實(shí)際工程項(xiàng)目，讓學(xué)生以小組形式完成從方案設(shè)計(jì)到調(diào)試優(yōu)化的全過程，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。
其次是信息化教學(xué)手段的融入。利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)配套的組態(tài)軟件，學(xué)生可以遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，分析歷史數(shù)據(jù)。我還開發(fā)了微信小程序，方便學(xué)生預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
最重要的是將課程思政自然融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過講解我國在自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展成就，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感；通過強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，強(qiáng)化工匠精神；通過分析控制系統(tǒng)的"穩(wěn)準(zhǔn)快"要求，引導(dǎo)學(xué)生思考做人做事的道理。
這套實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅教會(huì)學(xué)生專業(yè)技能，更成為我們培養(yǎng)德技并修高素質(zhì)人才的重要平臺(tái)。從教學(xué)反饋來看，學(xué)生對(duì)這種理論與實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)方式接受度很高，學(xué)習(xí)積極性和專業(yè)技能都有明顯提升。
五、結(jié)語
TWPCS-1C實(shí)驗(yàn)臺(tái)以其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、完善的系統(tǒng)功能和可靠的安全性能，為自動(dòng)化類專業(yè)教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)平臺(tái)。作為教師，我們要充分挖掘設(shè)備潛力，不斷創(chuàng)新教學(xué)方法，將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值引領(lǐng)有機(jī)統(tǒng)一，為行業(yè)培養(yǎng)更多優(yōu)秀的技術(shù)技能人才。
在后續(xù)教學(xué)中，我計(jì)劃進(jìn)一步開發(fā)基于該平臺(tái)的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如"智能水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)"、"基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)"等，持續(xù)提升教學(xué)質(zhì)量，助力學(xué)生成長成才。
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