MATLAB仿真在過程控制實驗中的教學(xué)探討

李雙雙+王瀅

摘 要：實驗類教學(xué)是工科專業(yè)必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗環(huán)節(jié)有助于幫助學(xué)生理解理論性內(nèi)容并提高實際操作能力，對各課程實驗內(nèi)容的完善也是學(xué)校綜合實力的體現(xiàn)。本文針對于本科自動化類《過程控制系統(tǒng)》課程的計算機仿真相關(guān)實驗的教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)實例進行分析探討，總結(jié)出適合學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)實驗案例，有助于學(xué)生增強對于過程控制以及MATLAB的認識。

關(guān)鍵詞：過程控制實驗 MATLAB PID中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0123-01

引言

《過程控制系統(tǒng)》課程在自動化專業(yè)的教學(xué)體系中占有重要地位，是自動化專業(yè)的必修專業(yè)課，其中過程控制實驗是教學(xué)中重要的環(huán)節(jié)。隨著計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，與過程控制有關(guān)的系統(tǒng)仿真也逐漸成為重要的實驗教學(xué)內(nèi)容。過程是指連續(xù)的而生產(chǎn)過程，是指對于被控量為壓力、溫度、液位、流量等變量進行控制的系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，過程控制相關(guān)內(nèi)容也應(yīng)與時俱進，特別是與計算機仿真的有關(guān)內(nèi)容。掌握過程控制的基本內(nèi)容與相應(yīng)實驗技能對于自動化專業(yè)學(xué)生是至關(guān)重要的。

另一方面，MATLAB是Mathworks軟件開發(fā)公司開發(fā)的，主要面向科學(xué)計算、可視化及交互程序設(shè)計等內(nèi)容，由主包、工具箱及simulink等模塊構(gòu)成，憑借其簡單的編程方式、友好的操作界面以及強大的數(shù)據(jù)處理和圖形處理功能，成為當(dāng)今炙手可熱的仿真軟件之一，應(yīng)用于各個領(lǐng)域?qū)W科。

一、教學(xué)中的仿真實驗案例設(shè)計

本節(jié)將針對一個特定模型，采用MATLAB-simulink為仿真工具，教學(xué)案例一設(shè)計為：分別對現(xiàn)有對象進行單回路控制系統(tǒng)設(shè)計，整定PID控制器參數(shù)，分析對比PID控制在不同控制參數(shù)下的控制效果；教學(xué)案例二設(shè)計為：針對特定被控過程，分別用經(jīng)典PID控制、模糊控制以及模糊PID控制方式，整定控制參數(shù)，分析仿真控制結(jié)果。

從知識體系上來說，過程控制中以單回路控制為基礎(chǔ)，逐步向復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)延伸和拓展，最為經(jīng)典的控制規(guī)律為PID控制，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種復(fù)雜控制方式也逐漸成為教學(xué)內(nèi)容，下面的兩個實驗教學(xué)案例設(shè)計體現(xiàn)了實驗教學(xué)大綱的知識點。

1.實驗教學(xué)案例1

主要教學(xué)內(nèi)容：（1）利用MATLAB-simulink構(gòu)建單回路控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖（2）整定PID參數(shù)，分析總結(jié)PID控制作用。

已構(gòu)建廣義被控過程模型為：

結(jié)合單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用MATLAB-simulink畫出仿真框圖：

單回路控制系統(tǒng)在仿真過程中所得仿真特性圖最能體現(xiàn)對象的特性。系統(tǒng)中控制器控制規(guī)律為PID控制，可以通過改變KP、TI、TD值，得到多組階躍響應(yīng)結(jié)果。

只采用比例（P）控制時：KP=4時；KP=2；KP=6時的階躍響應(yīng)結(jié)果如下圖所示：

由圖可看出，當(dāng)比例系數(shù)KP增大時，余差雖然會減小，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性會變差，容易產(chǎn)生振蕩，相反的話，余差又會增大，當(dāng)被控變量受干擾影響而偏離給定值后，不可能再回到原先數(shù)值上，因為如果被控變量值和給定值之間的偏差為零，調(diào)節(jié)器的輸出不會發(fā)生變化，系統(tǒng)也就無法保持平衡。

在講此教學(xué)案例時，可給學(xué)生演示如何利用MATLAB-simulink構(gòu)建單回路控制系統(tǒng)仿真模型，以及如何修改PID參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線。

基于以上實驗內(nèi)容，還可以讓學(xué)生繼續(xù)嘗試串級控制結(jié)構(gòu)、PI控制、PD控制以及PID控制，改變不同參數(shù)得到不同控制效果，分析得到實驗結(jié)果并于理論性內(nèi)容對比驗證。

2.實驗教學(xué)案例2

主要教學(xué)內(nèi)容：（1）利用MATLAB-simulink構(gòu)建單回路控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖（2）學(xué)習(xí)MATLAB模糊控制工具箱的使用方法，隸屬函數(shù)的添加等內(nèi)容（2）分別修改控制器為模糊控制器、PID控制器，合理整定參數(shù)，分析總結(jié)PID控制、模糊控制的作用。

已構(gòu)建廣義被控過程模型為：

以模糊PID控制為例，本案例采用自適應(yīng)模糊PID控制方式，也就是由偏差及偏差變化率根據(jù)模糊規(guī)則在線修改PID參數(shù)值。利用MATLAB-simulink及模糊控制工具箱構(gòu)建以下系統(tǒng)框圖：

合理設(shè)計模糊控制器隸屬函數(shù)以及PID參數(shù)值，可得到多組仿真結(jié)果，以下為其中一種結(jié)果。

學(xué)生還可自行設(shè)計經(jīng)典PID控制系統(tǒng)仿真框圖、模糊控制系統(tǒng)仿真框圖，分析對比多種控制器參數(shù)，得到分析結(jié)論與課程理論內(nèi)容比較。

此實驗內(nèi)容可以幫助學(xué)生理解不同控制規(guī)律對于控制系統(tǒng)的控制作用，加深學(xué)生對于理論知識的理解和運用。

二、結(jié)語

本文結(jié)合“過程控制”相關(guān)理論知識以及MATLAB-simulink仿真工具，提出了適合本科自動化類學(xué)生的計算機仿真教學(xué)案例。對于已經(jīng)建立好模型的實際系統(tǒng)，由簡單控制結(jié)構(gòu)到復(fù)雜控制結(jié)構(gòu)、由簡單控制規(guī)律到復(fù)雜控制規(guī)律、由仿真實驗現(xiàn)象加深對理論性內(nèi)容的理解的內(nèi)容，提出了兩個過程控制實驗教學(xué)實例，提出了具體設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計內(nèi)容以及教學(xué)方法。作為過程控制實驗教學(xué)的補充，該教學(xué)實例可以幫助學(xué)生理解仿真在過程控制中的應(yīng)用，加深關(guān)于控制結(jié)構(gòu)和控制規(guī)律的相關(guān)理論性內(nèi)容的理解。實際應(yīng)用時，教師可采取以建模為起始實驗點，利用鍋爐、加熱爐等具體工業(yè)過程為過程對象，增加實用性及趣味性。

參考文獻

[1]楊海勇.MATLAB仿真在自動控制類課程的應(yīng)用[J].科技信息，2013，26：261-256.

[2]李鵬飛，彭效亮.PID模糊控制策略的MATLAB仿真初探[J].可編程控制器與工廠自動化，2005，08：92-94.

[3]楊曉武，李勁松，李干榮，等.基于Matlab的鍋爐液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計[J].化學(xué)工程與設(shè)備，2014（1）：11—14.

[4]楊楊，葉多.“過程控制”課程計算機仿真教學(xué)探討[J].泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014（14）6：17-20