摘 要：針對培養複合型工程創新人才的要求，研製開發了具有鮮明行業特色的、來源於實際冶金工業軋機控制系統的張力控制系統實訓設備。同時對實踐教學環節的內容、方法、手段及評價方式各方面進行改革，以滿足CDIO工程教育模式、卓越工程師培養及工程教育專業認證對人才培養的要求。設備具有通用性，可以推廣到其他高校。
關鍵詞：張力控制系統；研製設備；實訓設備；教學應用
針對培養複合型工程創新人才的要求，我校近幾年進行實驗室建設及實驗教學改革，並研製開發了一批來源於實際工業系統並具有鮮明行業特色的自動化專業實訓設備。針對這些設備開設自動化生產線實訓課程，採用工程項目開發的方式進行實踐教學，學生可通過項目設計將整個課程體系有機而系統地結合起來，全面了解和掌握自動化科學與技術發展，提高專業技能，培養解決工程實際問題的能力。
張力控制是自動化技術的一項重要工業應用，具有複雜性和代表性，且具有鮮明的冶金行業特色。學生實習時只能通過現場參觀對張力控制有個感性的認識，並不能親身實踐，並且市場上沒有類似的教學設備，基於此，我校依據鋼鐵領域的軋機控制系統研製開發了張力控制系統實訓設備(如圖1所示)，通過紙張捲曲過程的張力控制模擬出工業系統張力控制的基本應用方式，並對某些實際環節進行適當的簡化設計，使其更適用於高校的實踐教學方式。
圖1 張力控制系統
1 張力控制系統組成
硬體系統組成：S7-300可編程控制器(1臺)，三菱FR-D700變頻器(2臺)，西門子三相交流電機(2臺)，減速機(2臺)，張力傳感器(2個)，張力信號放大器(2個)，機架，紙輥。硬體結構圖如圖2所示。
圖2 張力控制系統硬體結構圖
2 張力控制系統實驗軟體
實驗軟體(如圖3所示)採用亞控組態王開發，控制張力系統的正、反向啟動及停止，在線更改控制參數，以及可實現系統狀態監控，實時顯示控制曲線及參數，可同步查看實驗步驟及實驗注意事項等文檔。系統實驗軟體開放，學生可植入自己的控制算法，進行控制算法的優化研究。
反向設計是指根據培養目標設計畢業要求，在畢業要求的基礎上設計課程實驗內容。正向實施是指以學生為中心的正向實施過程，通過CDIO各個過程達到設定的畢業要求和培養目標。
張力控制系統實訓課程依據畢業要求制訂能力指標點的權重，再進行指標點分解，制訂實訓各環節的能力匹配要求(見表1)。
表1 張力控制系統實訓能力匹配要求
實訓課程按CDIO模式分為4個階段，模擬工程實際中項目開發組項目開發過程，小組成員分工合作，共同完成實訓任務。實施過程中按照CDIO各階段的要求進行實踐教學和考核。
1 構思階段
在構思階段，教師提出張力系統的控制要求，對張力測量精度、控制精度及控制周期提出要求。學生要按實際工程項目運行的方式進行項目需求分析，之後，教師組織學生項目需求分析報告答辯，教師和其他組的學生為甲方對《項目需求分析報告》進行提問、點評，在答辯過程中，通過教師提問，引導學生發現問題，並通過師生共同討論，尋找解決問題的辦法。學生修改報告後再次提交；項目需求分析報告被判定合格後方可進入下一階段。
2 設計階段
在設計階段，學生要根據教師提供的相關技術資料及控制指標完成張力系統的硬體設計、軟體設計及算法設計，通過查閱文獻、小組討論及教師答疑等途徑完成項目可行性分析、系統硬體設計方案及軟體設計方案，並寫出《項目設計報告》；設計方案完成後，學生製作PowerPoint，教師和學生共同參與的項目方案評審答辯會，會後根據評審意見進行修改，教師任可後，方可進入下一階段。
3 實施階段
在實施階段，設計小組首先要制訂《項目實施方案》，方案通過後，小組成員分工合作，到實驗室完成可編程控制器、變頻器、電機等硬體的連接，並進行性能測試；接著下裝例程，連接組態軟體進行系統調試；調試正常後，下裝學生自己編寫的控制程序進行系統調試，通過不斷地改進、優化算法，達到控制指標的目的。
4 運行階段
在運行階段，要進行現場展示和答辯，通過加入張力擾動信號，驗證控制系統的穩定性和魯棒性指標，根據運行結果進行現場調試改進，達到項目設計運行要求。在運行階段，培養了學生的工程問題分析能力及團隊協作能力。
這4個階段結束後，學生撰寫張力控制系統實訓報告並上交。
張力控制系統實訓課程依據CDIO各階段所要求的能力培養目標進行考核，各階段考核能力如圖4所示。
圖4 CDIO各階段考核能力
張力控制實訓系統課程考核成績主要包括平時成績、報告成績、答辯成績和創新成績。這種實踐教學的考核方式，可做到全過程檢驗學生的學習成果，有效地督促學生認真完成實踐內容，提高了實踐教學效果。
張力控制系統實訓設備的研製與應用不僅取得了很好的經濟效益，還有效提升了學生的工程實踐與創新能力。同時本實訓設備也可應用於造紙、紡織、印刷等行業高校，具有一定的通用性和推廣性。
作者簡介：徐銀梅，工學碩士，高級工程師；崔家瑞，工學博士，高級工程師；閻群，工學博士，高級工程師。北京科技大學自動化學院，100083，
原文刊發於《中國現代教育裝備》雜誌2019年第15期，本文有刪減。
封面圖片源自於網際網路
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