基于MATLAB的“熱工控制系統(tǒng)”教學(xué)研究

□孫群麗

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基于MATLAB的“熱工控制系統(tǒng)”教學(xué)研究

□孫群麗

【摘要】“熱工控制系統(tǒng)”自動(dòng)控制理論在電廠中的應(yīng)用，不僅要求學(xué)生掌握基礎(chǔ)的控制知識(shí)，還要求學(xué)生知道其在實(shí)際的電廠運(yùn)行中的體現(xiàn)。針對(duì)這一要求，在課程教學(xué)中利用MATLAB使二者有機(jī)結(jié)合，教學(xué)實(shí)踐證明該方法不但能提高學(xué)生控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，而且能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

【關(guān)鍵詞】MATLAB；熱工控制系統(tǒng)；教學(xué)實(shí)踐

“熱工控制系統(tǒng)”這門課程的授課對(duì)象是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)大四學(xué)生，他們之前已經(jīng)學(xué)習(xí)“鍋爐原理”“汽輪機(jī)原理”“泵與風(fēng)機(jī)”等專業(yè)課，所以能夠理解本門課程中所涉及的專業(yè)知識(shí)。如果把前期的設(shè)備課程比喻為電廠的骨架的話，那么本課程相當(dāng)于是電廠的神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要的作用。然而，學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的掌握僅停留在理論層面，沒(méi)有充分的時(shí)間去了解和嘗試控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以至于在后續(xù)的課程學(xué)習(xí)中，對(duì)自動(dòng)控制理論在電廠中的應(yīng)用缺乏感性認(rèn)知，接受緩慢。鑒于此，我們?cè)谡n堂教學(xué)中利用MATLAB模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)節(jié)，讓學(xué)生感受到理論與實(shí)踐的結(jié)合。

一、MATLAB的介紹

MATLAB軟件是美國(guó)Mathworks公司開(kāi)發(fā)的、面向科學(xué)與工程計(jì)算軟件，集成了大型數(shù)學(xué)與系統(tǒng)分析，已在應(yīng)用數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制、電力電子通信等工程領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。本次教學(xué)方法改革主要是利用其中的SIMULINK部分，它是以工具庫(kù)的形式掛靠在MATLAB上的，支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的建模仿真，提供階躍響應(yīng)信號(hào)step、脈沖響應(yīng)信號(hào)implus等命令，而且可以通過(guò)scope模塊來(lái)查看系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)曲線，進(jìn)而來(lái)分析時(shí)域性能指標(biāo)。

圖1　汽包鍋爐水位控制

二、MATLAB在　“熱工控制系統(tǒng)”教學(xué)中的運(yùn)用實(shí)例

自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類，有反饋、前饋、反饋-前饋控制，如果僅僅通過(guò)方框圖來(lái)描述各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制效果，對(duì)于剛剛接觸控制理論的學(xué)生來(lái)說(shuō)會(huì)顯得很空洞。鑒于此，我們利用MATLAB來(lái)模擬實(shí)際電廠的運(yùn)行控制，選取汽包鍋爐水位調(diào)節(jié)作為反饋、前饋、反饋—前饋的實(shí)例，這樣能使課堂講授與實(shí)際運(yùn)用結(jié)合在一起。

典型輸入信號(hào)與控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)于講課中涉及的階躍、斜坡、脈沖、正弦信號(hào)這些內(nèi)容，學(xué)生在以前的課程中也學(xué)習(xí)過(guò)，對(duì)這塊知識(shí)有大體的了解，所以在課堂講述中不用占大量時(shí)間，要把時(shí)間用在這些信號(hào)與實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)合上。如要想知道汽包水位變化的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性只有當(dāng)對(duì)象處于變動(dòng)過(guò)程中才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，在穩(wěn)定狀態(tài)下是表現(xiàn)不出來(lái)的，所以要施加一個(gè)階躍信號(hào)或者脈沖信號(hào)；當(dāng)鍋爐處于滑壓運(yùn)行方式時(shí)，對(duì)主蒸汽壓力的模擬可以采用斜坡信號(hào)。同時(shí)，這些都可以借助MATLAB來(lái)進(jìn)行演示。

控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程和性能指標(biāo)教材講述得很清楚，對(duì)于這部分內(nèi)容很多學(xué)生會(huì)眼高手低，第一印象是簡(jiǎn)單，但是在進(jìn)行課程試驗(yàn)時(shí)給他們一個(gè)系統(tǒng)，讓他們?cè)龠M(jìn)行調(diào)節(jié)，卻不知道最終的目的是什么。為了改變這種局面，在講授這部分內(nèi)容時(shí)，我們?nèi)匀挥们懊娴膯位芈菲徽{(diào)節(jié)為例，在MATLAB上通過(guò)調(diào)整控制器參數(shù)來(lái)顯示不同的調(diào)節(jié)過(guò)程和性能，直觀地向?qū)W生展示這些知識(shí)。

控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)有比例、慣性、積分、微分等環(huán)節(jié)，教材介紹了在輸入為單位階躍信號(hào)時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)的輸出曲線。但是僅僅通過(guò)機(jī)組曲線，學(xué)生對(duì)一些復(fù)雜環(huán)節(jié)還是如霧里看花，抓不住其本質(zhì)。為了加深學(xué)生的認(rèn)識(shí)，除了介紹其基本輸入、輸出關(guān)系外，還在MATLAB中通過(guò)不斷改變各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，讓學(xué)生體驗(yàn)到該環(huán)節(jié)的特點(diǎn)。如慣性環(huán)節(jié):

其輸入、輸出響應(yīng)曲線如下圖所示:

圖2　慣性環(huán)節(jié)特性

其中r0為階躍信號(hào)的幅值，環(huán)節(jié)的主要特征參數(shù)為K 和T，為了弄清楚K和T對(duì)環(huán)節(jié)性能的影響，利用MATLAB搭建一個(gè)慣性環(huán)節(jié)如圖3所示，在保證輸入不變的情況下，通過(guò)不同的K和T值所反映的不同輸出的y（t）對(duì)比來(lái)加深學(xué)生對(duì)此環(huán)節(jié)特點(diǎn)的理解，同樣的方法可以用在其他的環(huán)節(jié)上面。

圖3　k=1 T=1慣性環(huán)節(jié)

圖4　k=1 T=1慣性環(huán)節(jié)響應(yīng)

圖5　k=1 T=10慣性環(huán)節(jié)

圖6　k=1 T=10慣性環(huán)節(jié)響應(yīng)

從教材講解中知道，由1變?yōu)?.1實(shí)際上是改變了系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，由圖4、圖6明顯的對(duì)比可以讓學(xué)生很容易知道時(shí)間常數(shù)越小，則系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間越短。

控制系統(tǒng)的時(shí)域分析是在時(shí)間域內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)的一種方法，教材中分別對(duì)一階和二階系統(tǒng)的模型進(jìn)行了時(shí)域分析，為了加深學(xué)生的印象，在MATLAB中通過(guò)SIMULINK來(lái)模擬一階、二階系統(tǒng)在不同參數(shù)下的響應(yīng)過(guò)程，以二階系統(tǒng)為例，環(huán)節(jié)為對(duì)象的特性，環(huán)節(jié)為控制器:

圖7　ξ=二階系統(tǒng)

系統(tǒng)在階躍信號(hào)下的輸出曲線為:

圖8　ξ=二階系統(tǒng)的響應(yīng)

在對(duì)象不變的情況下，改變控制器的參數(shù):

圖9　ξ=二階系統(tǒng)

圖10　ξ=二階系統(tǒng)響應(yīng)

圖8、圖10截然不同，雖然二者最終都會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，但是在動(dòng)態(tài)特性上圖10顯然要比圖8快。改變控制器參數(shù)實(shí)際上是改變了系統(tǒng)的阻尼比，它對(duì)二階系統(tǒng)的性能有很大的影響。

單回路控制系統(tǒng)分析及其參數(shù)整定，在以往的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)教材的內(nèi)容能夠掌握這部分知識(shí)點(diǎn)，但是有少數(shù)學(xué)生會(huì)提出這樣的問(wèn)題:對(duì)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在給定的階躍輸入下其輸出能夠達(dá)到穩(wěn)定，這樣的系統(tǒng)是不是就不需要控制器?針對(duì)這個(gè)問(wèn)題我們?cè)贛ATLAB中進(jìn)行解釋。

圖12　帶控制器的慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)

僅從系統(tǒng)的快速性方面討論對(duì)比圖4和圖12，可以看出加上控制器后，系統(tǒng)能夠快速達(dá)到穩(wěn)定?？刂破鲗?duì)系統(tǒng)其他方面的影響也可以通過(guò)實(shí)例一一展示出來(lái)。

在“熱工控制系統(tǒng)”教學(xué)中使用MATLAB軟件，吸引了學(xué)生的課堂注意力，讓他們感受到學(xué)以致用的樂(lè)趣。同時(shí)，仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)展示讓學(xué)生更加確信書本上看似枯燥無(wú)用的理論計(jì)算和推導(dǎo)，對(duì)于教師來(lái)說(shuō)可以使原來(lái)很抽象的內(nèi)容清楚地展示出來(lái)，提高了學(xué)生的積極性，有效地改善了學(xué)習(xí)效果。

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[4]于希寧,劉紅軍.自動(dòng)控制原理[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001.

（編輯：秦俊嫄）

【基金項(xiàng)目】本文系華北電力大學(xué)科技學(xué)院教改項(xiàng)目（編號(hào)：104045）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0568（2016）11-0063-03

作者簡(jiǎn)介：孫群麗，碩士，華北電力大學(xué)科技學(xué)院講師。研究方向：電廠優(yōu)化運(yùn)行。