“過程控制”課程計算機仿真教學探討

楊 楊，葉 多

(1.南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023；2.南京市職業(yè)教育(成人)教學研究室，江蘇 南京 210018)

1 概述

從課程體系上來看， “過程控制”是 “自動控制原理”課程的延伸和擴展，在自動化專業(yè)的課程體系中占有重要的地位。過程控制通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制，與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系密切[1，2]。隨著科學技術的不斷進步，尤其是控制理論日新月異，過程控制技術也在飛速地發(fā)展，主要經(jīng)歷了簡單控制、復雜控制以及先進控制等階段。這些技術不僅對于傳統(tǒng)工業(yè)起到了提高質量、節(jié)約能耗、減少環(huán)境污染等重要作用，而且正在成為新建的規(guī)模大、結構復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的技術手段[3]。因此，為勝任未來的工作任務，掌握過程控制的基本知識和技能對于自動控制專業(yè)的學生至關重要。

另外一方面，MATLAB是Matrix和Laboratory兩個單詞的組合，意為矩陣實驗室，它是由美國科學計算軟件供應商領導者Mathworks公司發(fā)布，主要面向科學計算、可視化以及交互式程序設計，其中Simulink是MATLAB最重要的組件之一，提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境[4]。該軟件為自動化類課程的教與學提供了強有力的工具。

目前，“過程控制”課程開設了面向實物的相關實驗，如三容水箱控制系統(tǒng)等，但在實際教學過程中鑒于實驗課時和場地的限制，部分學生仍不能從整體上把握知識體系、牢靠地掌握相關知識點。作為實驗環(huán)節(jié)的補充，筆者設計了基于MATLAB/Simulink編程環(huán)境的計算機仿真案例，融合自動控制原理、MATLAB等先修課程內容，理論和實踐相結合，從系統(tǒng)層面加強學生對過程控制系統(tǒng)認知程度，藉此增強學生對系統(tǒng)設計、參數(shù)調整的直觀認識，從而提高學習興趣，在理解中掌握知識點、構建專業(yè)知識體系。

2 教學中計算機仿真的設計

本節(jié)將從單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定、串級控制系統(tǒng)、調節(jié)器參數(shù)變化對控制過程的影響等方面設計計算機仿真教學實例。從知識體系上來看，從模型到系統(tǒng)、從單回路簡單控制系統(tǒng)的設計向多回路復雜控制系統(tǒng)的構建逐步延伸和拓展，貫穿其間的是PID調節(jié)器，設計的案例密切聯(lián)系教學大綱，同時注意到了知識點的承上啟下和交融性。

2.1 單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定

測得某工業(yè)過程的單位階躍響應數(shù)據(jù) (附表從略)、單位階躍響應曲線，如圖1所示：

圖1 單位階躍響應曲線

主要教學內容： (1)在MATLAB/Simulink中搭建被控對象單回路控制系統(tǒng)； (2)采用穩(wěn)定邊界法整定調節(jié)器參數(shù)，并給出P、PI、PID三種調節(jié)器的控制曲線。

圖2 簡單控制系統(tǒng)仿真框圖

臨界比例度Pm和系統(tǒng)等幅振蕩周期Tm由圖3中讀出，根據(jù)表1計算出調節(jié)規(guī)律整定參數(shù)。三種調節(jié)規(guī)律比例 (P)、比例-微分 (PI)、比例-微分-積分 (PID)的控制性能比較曲線從略。

圖3 整定的等幅振蕩曲線

表1 穩(wěn)定參數(shù)法整定參數(shù)計算表 [1]

該教學實例較為簡單，其目的是通過課堂展示，使學生了解調節(jié)器特性的實驗測試方法；掌握依據(jù)飛升特性曲線求取對象動態(tài)特性參數(shù)和調節(jié)器參數(shù)的方法；熟悉單回路控制系統(tǒng)的工程整定方法；在調節(jié)器參數(shù)整定的學習和演示中，進一步了解比例度與比例系數(shù)，微分、積分時間常數(shù)與微分、積分比例系數(shù)的關系，為后續(xù)理解掌握PID控制規(guī)律做鋪墊。

2.2 串級控制系統(tǒng)

測得某工業(yè)過程構成如圖所示的串級控制系統(tǒng)如圖4所示，假設Gv(s)=1，Gm(s)=1，

圖4 串級系統(tǒng)結構框圖

與2.1部分類似，采用兩步法整定主、副控制器的PID參數(shù)。限于篇幅限制，系統(tǒng)仿真框圖和整定的曲線從略。在相同條件下，串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)的比較結果如圖5所示。

圖5 串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)輸出比較曲線

可以直觀地看出，串級控制系統(tǒng)的控制性能較好。這是因為串級控制系統(tǒng)的副回路的存在能迅速克服進入副回路的干擾，從而有效地減少副回路干擾對主參數(shù)的影響，抗干擾能力增強。

本教學案例是在學生掌握簡單控制系統(tǒng)的相關知識的基礎上，向其演示串級控制系統(tǒng)組成原理，串級控制調節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法；同時與單回路控制相比較，驗證串級控制系統(tǒng)具有較好的控制性能，能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2.3 調節(jié)器參數(shù)變化對控制過程的影響

三種情況下的輸出響應比較曲線，并簡要分析該現(xiàn)象。

在2.1、2.2的基礎上，設計了 “調節(jié)器參數(shù)變化對控制過程的影響”，教學內容 (1)(2)(3)(4)是針對同一被控對象采用同一種調節(jié)規(guī)律，在其他條件相同的情況下，向學生展示參數(shù)調整對于系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，屬于橫向比較，在教學過程中，可以修改PID參數(shù)，現(xiàn)場演示調節(jié)器參數(shù)變化對控制過程的影響；教學內容 (5)是在針對同一被控對象分別采用P、PI、PID三種調節(jié)規(guī)律比較控制性能，屬于縱向比較，比較曲線如圖6所示。

圖6 三種調節(jié)規(guī)律的比較曲線

由圖6可以看出，曲線A對應P調節(jié)器；曲線B對應PI調節(jié)器；曲線C對應PID調節(jié)器。這是因為：PI、PID均含積分環(huán)節(jié)，均能消除靜差，曲線A存在靜差，故A對應P調節(jié)器；曲線B與A相比，由于引入積分環(huán)節(jié)雖然能消除靜差，但是積分環(huán)節(jié)引起相位滯后，穩(wěn)定性稍差，故應PI調節(jié)器；曲線C不但無靜差，而且上升時間快、調節(jié)時間短，且微分環(huán)節(jié)對偏差變化趨勢預估，有較好的控制效果，故對應PID調節(jié)器。

通過本教學案例的展示，學生進一步熟悉PID參數(shù)調節(jié)方法；并且通過PID參數(shù)調節(jié)橫向比較(P、PI、PID)，縱向比較 (固定幾個參數(shù)，改變一個參數(shù))的分析比較實驗，進一步加深對P、I、D各個調節(jié)規(guī)律特點的認識，熟悉三個調節(jié)參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的影響；在教學中鞏固和加深學生對理論知識的理解，逐步體會到驗證、比較、分析系統(tǒng)控制性能的思想和技巧。

3 結語

本文結合 “過程控制”教學工作提出了課程計算機仿真教學案例，從模型到系統(tǒng)、從簡單系統(tǒng)到復雜系統(tǒng)、從現(xiàn)象到原理，層層深入，分別針對單回路控制系統(tǒng)、串級系統(tǒng)設計、PID參數(shù)調整對控制性能的影響等知識點介紹了相關仿真實例的設計并給出了部分仿真結果。該教學方案的應用能使學生在課堂中感受到參數(shù)調整對控制效果的影響、直接觀察到系統(tǒng)狀態(tài)的變化趨勢，對于增強學生對系統(tǒng)的認識、掌握參數(shù)調整規(guī)律大有裨益，可作為實驗教學的補充。同時，筆者也注意到該方法存在現(xiàn)場感不強、與學生互動不足等缺陷。提高的措施：選取某一實際工業(yè)過程作為教學研究對象，如鍋爐液位控制等，采用MFC編寫人機交互界面、后臺模型實時計算的模式研制虛擬仿真軟件，將其融合在教學實踐中，這將是后續(xù)可展開的工作。

[1]王再英，劉淮霞，陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京:機械工業(yè)出版社，2012.

[2]李國勇，何小剛，閆高偉.過程控制系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[3]唐玉玲.過程控制課程教學改革及實踐[J].科技信息，2011，(19):10-22.

[4]薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設計：MATLAB語言與應用[M].北京:清華大學出版社，2012.