過程控制系統仿真與實踐結合的實驗教學設計

楊光祥，梁 華，曹曉莉，胡衛軍，王榮秀

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

過程工業在社會生產中起著非常重要的作用，過程控制覆蓋范圍廣，在國民經濟中占有極其重要的地位。“過程控制系統”是針對本科生講述的一門專業主干課程，屬于電子信息、計算機等多專業領域的交叉課程，要求學生通過所學的專業基礎知識，結合PID控制理論，掌握過程控制系統的原理、結構、特點、設計方法和應用等。因此，學生對本課程專業知識的掌握是以后工作中能夠正確設計過程控制系統的關鍵[1]。

“過程控制系統”實驗課程能夠加深學生對過程控制系統的理解，培養學生的實踐能力，使學生在過程控制系統的設計和分析過程中將所學的理論知識融會貫通。傳統的過程控制系統課程以理論教學為主，配備簡單的液位控制系統設備開設實驗課。但是，由于普通液位控制系統設備的操作和驗證過程比較繁瑣，實驗數據記錄和存儲困難，學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容的本質的理解和掌握。

本文對過程控制系統實驗教學進行改革，將Matlab仿真技術和實驗設備結合，并融入理論知識，設計仿真模型，通過簡單、快速的仿真過程，讓學生對過程控制系統的本質和控制對象的動態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、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級計算語言和交互式環境，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，使得編程和調試效率大大提高。

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

1 實驗改革方案

傳統的過程控制系統實驗采用簡單液位控制對象，分別設置了單容和雙容對象的液位控制實驗，是過程控制系統典型的實驗教學內容[6－7]。液位控制系統是一個有自平衡能力的一階慣性環節。為了能夠使學生掌握一階慣性環節的特性和PID控制規律特點，在進行實物操作實驗的同時，應該設計出仿真模型，讓學生能夠在實際操作中，結合仿真模型和仿真調試結果理解實驗結論，這有助于提高學生對專業基礎知識的形象理解。本實驗教學改革方案如圖1所示。

圖1 實驗改革方案

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

2 仿真實驗設計

在Simulink軟件環境下，采用傳統PID控制器和一階慣性環節的被控對象，建立控制系統模型。本仿真實驗改革方案結合實際液位設備對象，設計了4個仿真實驗，分別描述如下。

實驗一：Simulink建模基礎知識及基本操作。實驗目的：

（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律。實驗目的：

（1）掌握基本PID控制規律和建模方法；

（2）驗證PID控制規律特點。

實驗三：PID控制器參數選擇及性能指標計算。實驗目的：

（1）掌握PID控制器參數調節方法和實際應用；

（2）掌握PID控制系統遞減比、超調量、調整時間等指標的實驗測試方法。

實驗四：基于Simulink的PID參數整定方法仿真。實驗目的：

（1）掌握PID參數整定方法及意義；

（2）掌握利用Simulink對PID進行參數整定的方法；

（3）掌握用穩定邊界法進行參數整定的基本方法；

（4）掌握用衰減曲線法進行參數整定的基本方法。

本文僅以參數整定為例，對仿真實驗進行重點介紹。

3 參數整定仿真實驗

在參數整定實驗中，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，對象傳遞函數為：

測量裝置和調節閥的傳遞函數為：

PID控制器傳遞函數為：

利用穩定邊界法整定參數過程為：

（1）將積分系數和微分時間分別設置為0，Kp設置較小值，PID使系統穩定運行；

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

圖2 參數整定的控制模型

（3）按照1表經驗公式整定參數，然后再進行校驗。

表1 穩定邊界法整定參數經驗公式

根據穩定邊界法，首先設置3個參數為：

得到系統階躍響應曲線如圖3所示。

圖3 階躍響應曲線（Kp＝1，Ki＝0，Kd＝0）

從圖形看，雖然系統是穩定的，但該結果明顯存在較大的穩態誤差（系統理論穩態值應該為階躍信號幅值1，但是本結果穩態值為0.5）。可以采用穩定邊界法對系統參數進行整定，以獲取最佳的系統性能。

采用逐步逼近的方式，首先將Kp設置為比較大的值，然后依次調整，直到系統出現如圖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。

然后根據表1的參數整定經驗公式，整定其各個參數：

圖4 等幅振蕩曲線

重新仿真得到階躍響應曲線如圖5所示。

圖5 參數整定后系統階躍響應曲線

根據仿真結果，測量遞減比、超調量、調節時間分別為3∶1、60%，40s；由于超調量大，再次進行整定，采用減小Ki，即增大積分時間常數，減小積分作用，可以使系統穩定性增強，從而減小其超調量。令Ki＝0.5，再次仿真得到如圖6所示的結果。

再次整定后，計算結果為：超調量在大約35%，調整時間大約為33s，是可以接受的，這時遞減比大約為

實驗要求學生再次嘗試用衰減曲線法整定參數，不再贅述。

圖6 參數整定再次調整后階躍響應曲線

通過參數整定過程的設計和分析，學生普遍反應對參數整定有了比較直觀的認識，對PID控制規律各個參數對系統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了其動態特性和規律。

4 結束語

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

（References）

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