TWPCS-1C单容水箱液位PID控制、PLC上下水箱液位串级控制实验台
《TWPCS-1C单容水箱液位PID控制与PLC上下水箱液位串级控制实验台教学实践探究》
一、实验设备概述与教学价值
TWPCS-1C单容水箱液位PID控制与PLC上下水箱液位串级控制实验台是我们自动化类专业教学中不可或缺的重要实训设备。这套系统由上海方德自动化设备有限公司研发生产，专门为职业院校自动化控制、机电一体化等专业的学生设计，能够完美模拟工业生产中常见的液位控制过程。
作为一线教师，我特别欣赏这套实验台的模块化设计理念。它将机械结构、传感器检测、PLC控制和上位机监控等现代工业控制要素有机整合，形成了一个完整的教学系统。在实际教学中，我发现这种"虚实结合"的设计特别符合职业教育的需求——既保留了真实设备的操作体验，又融入了先进的虚拟仿真技术。
从教学价值来看，这套设备完美覆盖了《PLC应用技术》、《过程控制系统》、《自动化仪表》等多门核心课程的教学要求。通过实验，学生可以直观理解PID控制原理，掌握串级控制策略，培养工业控制系统设计、调试与维护的综合能力。这些都是我们培养高素质技术技能人才所必需的核心能力。
二、单容水箱液位PID控制实验教学要点
在单容水箱液位PID控制实验中，我通常会分四个步骤引导学生完成实践：
首先，让学生认识系统结构。实验台采用有机玻璃水箱，容积约15L，配备压力式液位传感器、电动调节阀、水泵等组件。这种透明设计非常有利于学生观察水位变化，理解系统工作原理。
其次，重点讲解PID控制原理。我会通过MATLAB仿真先让学生看到P、I、D三个参数对控制效果的影响，然后再在实际系统中进行验证。这种"先仿真后实操"的教学方法效果显著。
在参数整定环节，我推荐采用工程整定法。先让学生将积分时间Ti设为最大值，微分时间Td设为0，逐步增大比例系数Kp至系统出现等幅振荡，记录此时的临界比例度δk和振荡周期Tk，再按Ziegler-Nichols公式计算PID参数。这种方法学生容易掌握，整定效果也很好。
实验过程中，我特别强调安全操作规范：必须先检查管路连接，确认水箱无泄漏；启动水泵前确保水箱有足够水量；调节阀开度要缓慢变化；遇到异常立即按下急停按钮。这些细节对培养学生职业素养至关重要。
三、上下水箱液位串级控制实验教学设计
上下水箱液位串级控制是这套实验台的另一个重要功能，也是教学难点。我的教学设计通常分为三个阶段：
基础认知阶段：通过动画演示让学生理解主副回路的概念。上水箱液位作为主变量，下水箱液位为副变量，主调节器的输出作为副调节器的给定值。这种"内外环"结构对干扰有很强的抑制能力。
方案设计阶段：引导学生完成控制系统框图绘制、I/O分配、PLC编程等工作。我鼓励学生尝试不同控制策略，比如单回路PID、串级PID、前馈-反馈复合控制等，通过对比实验加深理解。
系统调试阶段：这是最具挑战性的环节。我会指导学生先整定副回路参数，待副回路响应良好后再整定主回路参数。调试过程中，要求学生记录不同参数下的响应曲线，分析超调量、调节时间等指标，培养他们的工程思维。
通过这个实验，学生不仅能掌握串级控制技术，更能培养系统思维和工程实践能力。很多毕业生反馈，这些技能在他们工作中解决复杂控制问题时非常有用。
四、实验教学创新与课程思政融合
在长期教学实践中，我对这套实验台的应用做了一些创新尝试：
首先是项目化教学改革。我将实验内容设计成"自来水厂水位控制系统"、"化工反应釜液位控制"等实际工程项目，让学生以小组形式完成从方案设计到调试优化的全过程，培养团队协作能力。
其次是信息化教学手段的融入。利用实验台配套的组态软件，学生可以远程监控实验过程，分析历史数据。我还开发了微信小程序，方便学生预习复习实验内容。
最重要的是将课程思政自然融入实验教学。通过讲解我国在自动化领域的发展成就，培养学生的民族自豪感；通过强调实验操作规范，强化工匠精神；通过分析控制系统的"稳准快"要求，引导学生思考做人做事的道理。
这套实验台不仅教会学生专业技能，更成为我们培养德技并修高素质人才的重要平台。从教学反馈来看，学生对这种理论与实践结合的教学方式接受度很高，学习积极性和专业技能都有明显提升。
五、结语
TWPCS-1C实验台以其先进的设计理念、完善的系统功能和可靠的安全性能，为自动化类专业教学提供了优质平台。作为教师，我们要充分挖掘设备潜力，不断创新教学方法，将知识传授、能力培养和价值引领有机统一，为行业培养更多优秀的技术技能人才。
在后续教学中，我计划进一步开发基于该平台的综合实训项目，如"智能水位控制系统设计"、"基于物联网的远程监控系统"等，持续提升教学质量，助力学生成长成才。
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