第一章 仿真实习技术
第一节 仿真实习技术简介
一、什么是仿真实习技术
仿真实习技术是以仿真机为工具，用实时运行的动态数学模型代替真实工厂进行教学实习的一门新技术。
仿真机是基于电子计算机、网络或多媒体部件，由人工建造的，模拟工厂操作与控制或工业过程的设备，同时也是动态数学模型实时运行的环境。
动态数学模型是仿真系统的核心，是依据工业过程的数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与工业过程相似的行为数据。动态数学模型一般由微分方程组成。 用于仿真实习的动态数学模型应当满足：数值求解的实时性、全量程随机可操作性、逼真性和高度可靠性。
二、仿真实习技术的产生背景
80年代中期以来，由于国产化工过程仿真培训系统的研制成功，采用仿真技术解决生产实习的化工类大学、中专和技校迅速增多。
1995年以后，随着微型计算机性能大幅度提高，价格下降，以及国产化仿真培训系统日趋成熟，为仿真实习技术广泛普及创造了条件。
在仿真实习技术尚未出现之前，学校只有下厂实习一条路可走。工厂由于顾及安全和效益，一般不允许学生动手操作，因此下厂实习效果普遍不好。学校由于缺乏经费，难于承受不断上涨的实习费用。学生实习难已经成为长期困扰学校的普遍性问题。仿真实习技术是解决以上难题的最佳选择和理想方法。目前，仿真实习技术已成为一种国际公认的高效现代化教学手段。
三、仿真实习的优点
与传统的下厂实习相比，仿真实习有如下优点。
① 为学生提供了充分动手的机会，可在仿真机上反复进行开车、停车训练，这在真实工厂中是难于实现的。
② 高质量的仿真器具有较强的交互性能，使学生在仿真实习过程中能够发挥学习主动性，实习效果突出。
③ 仿真软件提供快门设定、工况冻结、时标设定、成绩评定、趋势记录、报警记录、参数设定等特殊功能，便于教师实施各种新的教学与培训方法。真实工厂无法实现。
④ 可以设定各种事故和极限运行状态，提高学生分析能力和在复杂情况下的决策能力。真实工厂根本不允许进行。
⑤ 在仿真机上，学生变成学习的主体。学生可以根据自己的具体情况有选择地学习。例如自行设计、试验不同的开、停车方案，试验复杂控制方案、优化操作方案等。真实工厂考虑到生产安全及正常生产计划，决不允许这样做。
⑥ 仿真实习软件具有自动评价功能，对学生掌握知识的水平随时进行测评。在下厂实习中，一位教师无法同时跟踪众多学生进行测评。
⑦ 安全性。其一是指学生在仿真器上进行事故训练不会发生人身危险，其二是不会造成设备破坏和环境污染等经济损失。因此，仿真实习是一种最安全的实习方法。
⑧ 节省开支。采用仿真实习技术解决实习教学，可以节省设备运行费、物料能量损耗费、实习人员下厂经费等大量开支。
综上所述，仿真实习与传统的下厂实习相比，在许多方面具有更好的效果。
四、仿真实习的作用
任何一项新的技术都有其局限性。由于高档图形工作站价格昂贵，当前的仿真实习系统还难于实现化工过程三维动态视景功能，无法产生真实化工生产过程的临境感受，也无法实1 现对不同设备的拆装技能和力度训练。这些功能可能将来部分由虚拟现实（VR）技术实现。
当前仿真实习在化工类学校主要起如下作用：
① 深入了解化工过程系统的操作原理，提高学生对典型化工过程的开车、停车运行能力；
② 掌握调节器的基本操作技能，进而熟悉ＰＩＤ参数的在线整定；
③ 掌握复杂控制系统的投运和调整技术；
④ 提高对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力，通过仿真实习训练能够提出最优开车方案；
⑤ 在熟悉开、停车和复杂控制系统的调整基础上，训练识别事故和排除事故的能力；
⑥ 科学地、严格地考核与评价学生经过学习训练后所达到的操作水平以及理论联系实际的能力。
以上六种作用表明，仿真实习对于学生了解工艺和控制系统的动态特性，提高对工艺过程的运行和调整控制能力具有特殊的作用。这种运行、调整和控制能力集中反映了学生运用所学的理论知识分析和解决问题的水平。仿真实习是运用高科技手段强化学生理论联系实际的新型教学方法。
五、仿真实习软件的主要用途
大量的应用表明，仿真实习软件不单能解决生产实习问题，在工程教学中还有多种用途，例如：
① 认识实习：用于新入学的学生了解化工、石油化工及炼油过程的工艺与新型计算机控制系统；
② 课堂演示：结合工厂实际，在相关课程中由教师进行课堂动态模拟演示；
③ 课程设计：通过仿真操作从动态模拟软件获取工业数据，将设计结果进行模拟检验； ④ 过程控制：掌握工业（PID）调节器的使用、参数调整及复杂控制系统的投运方法，这些技术对化学工程和过程控制专业的学生具有同等重要意义；
⑤ 化工安全：通过动态模拟试验，了解事故动态演变过程的特性，理解事故工况下的安全处理方法，理解安全保护控制系统的作用原理。
第二节 仿真实习的教学规律
一、下厂认识实习
为了加强仿真实习的效果，尤其对于从未见过真实化工过程的学生而言，仿真实习前先到工厂进行短期认识实习是十分必要的。通过认识实习，可以了解各种化工单元设备的结构特点、空间几何形状、工艺过程的组成、控制系统的组成、管道走向、阀门的大小和位置等，使学生建立起一个完整的、真实的化工过程的概念。
二、熟悉工艺流程、控制系统及开车规程
在认识实习的基础上，还需采用授课的方式使学生对将要仿真实习的工艺流程，包括设备位号、检测控制点位号、正常工况的工艺参数范围、控制系统的原理、阀门及操作点的作用以及开车规程等知识具有详细的了解。
必要时，可采取书面流程图填空的方法进行测验，以便了解学生对工艺流程的掌握情况。
如果不进行以上内容就直接开始仿真实习，学生会无从下手，教师会面临学生的众多提问而忙乱不堪。
三、仿真实习操作训练
在下厂认识实习、熟悉流程和开停车规程的基础上，可以进入仿真实习阶段。为了达到较好的仿真实习效果，应本着由常见的典型单元操作开始，经过工段级的操作实习，最后进行大型复杂工业过程的仿真开、停车及事故实习。越复杂的流程系统，操作过程中可能出现的非正常工况越多，必须训练出对动态过程的综合分析能力，各变量之间的协调控制（包括手动和自控）能力，掌握时机、利用时机的能力，以及对将要产生的操作和控制后果的预测能力等，才能自如地驾驭整个工艺过程。
这种综合能力（素质），只有通过反复多次训练才能获得。为了促进这种能力的获取，仿真实习系统数学模型的时间常数一般比真实系统小，因此，学生必须投入更大的注意力和反应速度。这也是仿真实习在教学中的优势所在。
对于复杂的工艺过程，尤其是首次仿真开车，学生难免出现顾此失彼的局面。教师可以实施“同步教学法”，即由教师统一指挥，全体学生跟踪老师的指挥，同时把各自的工艺过程开至正常工况。这种全过程由教师引导的“同步教学法”，可以增强学生的自信心，激发学生的学习兴趣，体会教师所策划的开车技巧，提高仿真实习效率。
四、分析与讨论
分析和讨论是仿真实习重要的环节。实习过程中所碰到的各种现象，只有通过讨论才能提高到理性上加以认识。为此，本书后面对于每一个仿真实习项目都给出了较多的思考题，目的在于启发学生理论联系实际，打开思路。
教师在分析讨论中具有主导作用，应启发学生有意识地联系相关课程所学的知识，如化工原理、物理化学、控制原理、化工机器、化工计算、化学反应工程，以及相关专业课程等。进而，可以进行若干工艺过程测试及计算，例如加热炉总热效率的计算、离心泵特性曲线测取，或在线调节器参数整定等内容。
仿真实习完成后，学生必须作出详细的仿真实习报告，与仿真实习考试成绩一并存档。
五、安全教育
安全教育在化工类学生的实习中是必须进行的内容。仿真实习可以通过事故排除训练使安全教育具体化、实用化。通过仿真实习，学生可以了解事故产生的原因、危险如何扩散、会造成什么后果、如何排除以及最佳排除方案是什么。若配合网络多媒体设备演示典型事故案例的录像，同时辅以教师讲解和分析，效果会更好。
六、仿真优化生产试验。
改革传统的“教师讲、学生录”的落后教育方式，仿真实习是一种很好的方法。除了以上所进行的各种基本教学内容和素质训练外，还可以锻炼学生的创新能力。例如，借助于仿真实习高效、无公害的特点，学生可以自己设计、试验最优开车方案，探索最优操作条件和最优控制方案，分析现有工艺流程的缺点和不足，提出技术改造方案，并通过仿真试验进行可行性论证等。
仿真实习是一种新的高效教学方法，有其特殊的教与学的规律。以上是作者多年采用仿真实习教学的体会，还较肤浅。今后还有待各位从事仿真实习教学的教师们不断探索、发现和总结提高。
