過程控制系統(tǒng)仿真與實踐結(jié)合的實驗教學(xué)設(shè)計

楊光祥，梁 華，曹曉莉，胡衛(wèi)軍，王榮秀

（1.重慶工商大學(xué) 檢測控制集成系統(tǒng)重慶市市級工程實驗室，重慶 400067；2.電子商務(wù)及供應(yīng)鏈系統(tǒng)重慶市重點實驗室，重慶 400067）

過程工業(yè)在社會生產(chǎn)中起著非常重要的作用，過程控制覆蓋范圍廣，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。“過程控制系統(tǒng)”是針對本科生講述的一門專業(yè)主干課程，屬于電子信息、計算機等多專業(yè)領(lǐng)域的交叉課程，要求學(xué)生通過所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，結(jié)合PID控制理論，掌握過程控制系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、特點、設(shè)計方法和應(yīng)用等。因此，學(xué)生對本課程專業(yè)知識的掌握是以后工作中能夠正確設(shè)計過程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵[1]。

“過程控制系統(tǒng)”實驗課程能夠加深學(xué)生對過程控制系統(tǒng)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，使學(xué)生在過程控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析過程中將所學(xué)的理論知識融會貫通。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)課程以理論教學(xué)為主，配備簡單的液位控制系統(tǒng)設(shè)備開設(shè)實驗課。但是，由于普通液位控制系統(tǒng)設(shè)備的操作和驗證過程比較繁瑣，實驗數(shù)據(jù)記錄和存儲困難，學(xué)生的注意力往往集中在怎樣完成實驗，而缺乏甚至忽視對實驗所要驗證內(nèi)容的本質(zhì)的理解和掌握。

本文對過程控制系統(tǒng)實驗教學(xué)進行改革，將Matlab仿真技術(shù)和實驗設(shè)備結(jié)合，并融入理論知識，設(shè)計仿真模型，通過簡單、快速的仿真過程，讓學(xué)生對過程控制系統(tǒng)的本質(zhì)和控制對象的動態(tài)特性有比較深刻的認識和理解。

Matlab仿真軟件是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 Matlab和 Simulink 2部分[2－3]。該軟件一直把面向控制工程應(yīng)用作為主要的功能之一，其特點是簡潔和智能化，使得編程和調(diào)試效率大大提高。

Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，利用Simulink的強大功能，可以很容易地構(gòu)造復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型，并能在控制算法運行過程中對仿真模型的參數(shù)進行在線修改，模擬實際生產(chǎn)過程中的各種干擾、被控對象模型的變化等，并可立即得到修改后的仿真結(jié)果。一些高校還專門開設(shè)了仿真實驗課程[4－5]。因此，本文提出一種 Matlab仿真實驗與過程控制系統(tǒng)實驗相結(jié)合的教學(xué)改革方法，它將有助于學(xué)生更加深入地掌握過程控制的規(guī)律和特性。

1 實驗改革方案

傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)實驗采用簡單液位控制對象，分別設(shè)置了單容和雙容對象的液位控制實驗，是過程控制系統(tǒng)典型的實驗教學(xué)內(nèi)容[6－7]。液位控制系統(tǒng)是一個有自平衡能力的一階慣性環(huán)節(jié)。為了能夠使學(xué)生掌握一階慣性環(huán)節(jié)的特性和PID控制規(guī)律特點，在進行實物操作實驗的同時，應(yīng)該設(shè)計出仿真模型，讓學(xué)生能夠在實際操作中，結(jié)合仿真模型和仿真調(diào)試結(jié)果理解實驗結(jié)論，這有助于提高學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的形象理解。本實驗教學(xué)改革方案如圖1所示。

圖1 實驗改革方案

本改革方案主要針對學(xué)生在實驗過程中對理論理解不夠深入、實驗數(shù)據(jù)收集困難、實驗數(shù)據(jù)準確性差的特點，設(shè)計相應(yīng)的仿真實驗，以對實物實驗進行驗證，可以使學(xué)生更加深入地掌握對象動態(tài)特性和PID控制規(guī)律，以及參數(shù)整定的方法。由于在實際應(yīng)用實驗中沒有參數(shù)整定實驗，只是在理論教學(xué)中有部分介紹；而參數(shù)整定在工程實際應(yīng)用中非常重要[8－9]，是決定一個控制系統(tǒng)能否正常工作和工作質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵；因此，在仿真實驗中增加了參數(shù)整定的設(shè)計和驗證。

2 仿真實驗設(shè)計

在Simulink軟件環(huán)境下，采用傳統(tǒng)PID控制器和一階慣性環(huán)節(jié)的被控對象，建立控制系統(tǒng)模型。本仿真實驗改革方案結(jié)合實際液位設(shè)備對象，設(shè)計了4個仿真實驗，分別描述如下。

實驗一：Simulink建?；A(chǔ)知識及基本操作。實驗?zāi)康模?/p>

（1）了解Simulink基本模塊組；

（2）掌握 Continuous、source、sinks等模塊組的使用方法；

（3）掌握Simulinik建模仿真基本方法。

實驗二：PID控制器建模及控制規(guī)律。實驗?zāi)康模?/p>

（1）掌握基本PID控制規(guī)律和建模方法；

（2）驗證PID控制規(guī)律特點。

實驗三：PID控制器參數(shù)選擇及性能指標計算。實驗?zāi)康模?/p>

（1）掌握PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方法和實際應(yīng)用；

（2）掌握PID控制系統(tǒng)遞減比、超調(diào)量、調(diào)整時間等指標的實驗測試方法。

實驗四：基于Simulink的PID參數(shù)整定方法仿真。實驗?zāi)康模?/p>

（1）掌握PID參數(shù)整定方法及意義；

（2）掌握利用Simulink對PID進行參數(shù)整定的方法；

（3）掌握用穩(wěn)定邊界法進行參數(shù)整定的基本方法；

（4）掌握用衰減曲線法進行參數(shù)整定的基本方法。

本文僅以參數(shù)整定為例，對仿真實驗進行重點介紹。

3 參數(shù)整定仿真實驗

在參數(shù)整定實驗中，利用標準PID控制器，對被控對象進行控制，控制模型如圖2所示。

其中，對象傳遞函數(shù)為：

測量裝置和調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)為：

PID控制器傳遞函數(shù)為：

利用穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)過程為：

（1）將積分系數(shù)和微分時間分別設(shè)置為0，Kp設(shè)置較小值，PID使系統(tǒng)穩(wěn)定運行；

（2）逐漸增大比例系數(shù)Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩；記錄此時Kp和振蕩周期T；

圖2 參數(shù)整定的控制模型

（3）按照1表經(jīng)驗公式整定參數(shù)，然后再進行校驗。

表1 穩(wěn)定邊界法整定參數(shù)經(jīng)驗公式

根據(jù)穩(wěn)定邊界法，首先設(shè)置3個參數(shù)為：

得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 階躍響應(yīng)曲線（Kp＝1，Ki＝0，Kd＝0）

從圖形看，雖然系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但該結(jié)果明顯存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差（系統(tǒng)理論穩(wěn)態(tài)值應(yīng)該為階躍信號幅值1，但是本結(jié)果穩(wěn)態(tài)值為0.5）?？梢圆捎梅€(wěn)定邊界法對系統(tǒng)參數(shù)進行整定，以獲取最佳的系統(tǒng)性能。

采用逐步逼近的方式，首先將Kp設(shè)置為比較大的值，然后依次調(diào)整，直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖4所示的等幅振蕩，記錄此時的Kp和振蕩周期T：Kp＝12.5s，T＝15.2s。

然后根據(jù)表1的參數(shù)整定經(jīng)驗公式，整定其各個參數(shù)：

圖4 等幅振蕩曲線

重新仿真得到階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 參數(shù)整定后系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，測量遞減比、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間分別為3∶1、60%，40s；由于超調(diào)量大，再次進行整定，采用減小Ki，即增大積分時間常數(shù)，減小積分作用，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，從而減小其超調(diào)量。令Ki＝0.5，再次仿真得到如圖6所示的結(jié)果。

再次整定后，計算結(jié)果為：超調(diào)量在大約35%，調(diào)整時間大約為33s，是可以接受的，這時遞減比大約為

實驗要求學(xué)生再次嘗試用衰減曲線法整定參數(shù)，不再贅述。

圖6 參數(shù)整定再次調(diào)整后階躍響應(yīng)曲線

通過參數(shù)整定過程的設(shè)計和分析，學(xué)生普遍反應(yīng)對參數(shù)整定有了比較直觀的認識，對PID控制規(guī)律各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響有了明顯的理解，比單純的理論知識和實物實驗更加形象化地展現(xiàn)了其動態(tài)特性和規(guī)律。

4 結(jié)束語

根據(jù)理論教學(xué)知識，配合實物實驗教學(xué)，進行了相應(yīng)仿真實驗的設(shè)計，包括PID控制模型的建立、分析，對象動態(tài)特性的測試，參數(shù)整定的方法。在實物實驗中加入仿真實驗研究，可以減少實驗設(shè)備投入，而且能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率[10－12]。通過改革，利用 Matlab強大的資源，教師在教學(xué)中結(jié)合理論分析的結(jié)果，從實驗設(shè)備所驗證的控制對象特性和工程應(yīng)用的角度來設(shè)計課程教學(xué)。過程控制系統(tǒng)仿真實驗具有簡單、直觀、方便的特點，使學(xué)生既掌握了過程控制原理的理論知識，又能夠掌握使用Matlab進行分析的工程應(yīng)用能力，并結(jié)合實際實驗設(shè)備進行理解，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

（References）

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