PID調(diào)節(jié)規(guī)律的教學(xué)探討

蔣開明+楊小峰+李琳琳+黃洪全

摘要：在《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程中，PID調(diào)節(jié)規(guī)律難學(xué)難懂。本文通過對(duì)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分析，討論了如何提高PID教學(xué)質(zhì)量的針對(duì)性的方案和建議，通過對(duì)教學(xué)聯(lián)動(dòng)、MATLAB在PID教學(xué)中的應(yīng)用，來促進(jìn)學(xué)生對(duì)PID規(guī)律的認(rèn)識(shí)和深化，提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；PID；教學(xué)聯(lián)動(dòng)；MATLAB

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）08-0193-02

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)非常重要的專業(yè)課之一[1]，其中有關(guān)PID的內(nèi)容占據(jù)相當(dāng)多的篇幅，同時(shí)PID規(guī)律在控制系統(tǒng)中的地位不可撼動(dòng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，PID規(guī)律屬于控制策略，與硬件、軟件設(shè)計(jì)處于同等地位，三者缺一不可。學(xué)生以前對(duì)此接觸較少，課程也只能從理論上予以推導(dǎo)，即便在課程中反復(fù)強(qiáng)調(diào)和演算，學(xué)生也不明就理，普遍反映PID內(nèi)容比較難學(xué)[2]。也有部分同學(xué)反映感覺思想有認(rèn)識(shí)，但不明白怎么去使用，具體表現(xiàn)在要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，即把PID規(guī)律與控制系統(tǒng)相結(jié)合的時(shí)候，部分同學(xué)卻選擇性遺忘PID規(guī)律。最終影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

一、教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)狀

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》在理論教學(xué)安排中，PID算法有4學(xué)時(shí)，從理論學(xué)習(xí)的角度沒有問題。那么是什么原因造成的結(jié)果？通過我們的調(diào)查和分析，認(rèn)為有如下方面的原因。

1.對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不足。在計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，使之滿足設(shè)計(jì)要求。部分同學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)放在硬件本身的快速性和硬件連接的完整性上，比如芯片的運(yùn)算速度、采樣速度和接口地址等，卻忽略了重要的調(diào)節(jié)速度和要求，反映出學(xué)生對(duì)PID控制規(guī)律認(rèn)識(shí)仍然比較薄弱。

2.對(duì)PID控制本身的認(rèn)識(shí)欠缺。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID規(guī)律是以離散化的數(shù)學(xué)模型，通過編制程序在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。PID控制中P調(diào)節(jié)反映比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出；I調(diào)節(jié)反映積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過去的累積誤差；D調(diào)節(jié)反映微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。學(xué)生在面對(duì)PID具體對(duì)象時(shí)怎么實(shí)現(xiàn)P、I、D協(xié)調(diào)工作，沒有直觀的印象和概念。

二、教學(xué)探討

針對(duì)以上在學(xué)生在學(xué)習(xí)PID中出現(xiàn)的問題，我們組織相關(guān)教師進(jìn)行探討，按照現(xiàn)有的條件和教學(xué)要求。提出了如下的教改方案：（1）實(shí)行相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)動(dòng)機(jī)制；（2）增加MATLAB在PID教學(xué)中的比重。

1.PID調(diào)節(jié)規(guī)律的教學(xué)聯(lián)動(dòng)。在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)涉及PID內(nèi)容的有三門課程，《自動(dòng)控制原理》、《計(jì)算機(jī)過程控制》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》，我們結(jié)合各自課程的特點(diǎn)[3]，強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)PID時(shí)要解決如下問題：①PID調(diào)節(jié)在控制系統(tǒng)中不要行不行，從根源上讓學(xué)生重視；②結(jié)合各自課程的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)把PID調(diào)節(jié)規(guī)律作為必做實(shí)驗(yàn)之一。如圖1所示為計(jì)算機(jī)過程控制實(shí)驗(yàn)中，串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)中PID的調(diào)節(jié)曲線。

2.MATLAB在PID教學(xué)中的應(yīng)用。MATLAB在所涉課程中都可以讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)，我們按照教學(xué)要求，把MATLAB在《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》中逐漸引入[4，5]，為了讓學(xué)生熟練掌握和理解PID控制規(guī)律。我們?cè)谠O(shè)計(jì)了如圖2的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行人機(jī)界面。畫面左邊為學(xué)生自己可以調(diào)整控制對(duì)象的模型、也可以調(diào)節(jié)P、I、D各自的參數(shù)，研究在單位階躍作用下的控制效果，右下部為典型PID作用分析功能鍵，右上部為輸出結(jié)果。圖2輸出曲線為控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為G（s）=，選擇P=12，I=0.2，D=0.1的作用效果[5]。

在典型作用環(huán)節(jié)，共有P調(diào)節(jié)、PI調(diào)節(jié)、PD調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)功能按鍵，圖3為控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為G（s）=，單位階躍作用下，典型的PID調(diào)節(jié)曲線。

對(duì)于圖3的PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)偏差比PD調(diào)節(jié)稍差，但由于積分作用，使得系統(tǒng)沒有了余差同時(shí)系統(tǒng)的振蕩周期變長(zhǎng)了。綜合來看，PID同時(shí)作用的時(shí)候控制效果最佳。

三、結(jié)語

文針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》中PID控制規(guī)律在設(shè)計(jì)、教學(xué)中出現(xiàn)的問題，提出了相關(guān)的解決方法和措施。實(shí)踐證明，學(xué)生形成了一種不自覺的反應(yīng)，只要有閉環(huán)系統(tǒng)就有PID。得益于課堂的PID控制理論分析與各門課程的教學(xué)聯(lián)動(dòng)，以及Matlab驗(yàn)證PID控制律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使得學(xué)生能夠更加深入地理解PID控制規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]范立南.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]余雷，張茂青，費(fèi)樹岷.“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程PID控制部分的教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（2）：104-106.

[3]程艷云.“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”課程建設(shè)探索[J].中國(guó)電力教育，2013，（32）：103-104.

[4]蘇旭武，張錚，張道德，等.MATLAB軟件在“計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”CAI課件中的應(yīng)用[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（3）：100-102.

[5]張志涌.精通Matlab R2011a[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2011.