“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，在自動化專業的課程體系中占有重要的地位。過程控制通常是指連續生產過程的自動控制，與工業生產過程聯系密切[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展，主要經歷了簡單控制、復雜控制以及先進控制等階段。這些技術不僅對于傳統工業起到了提高質量、節約能耗、減少環境污染等重要作用，而且正在成為新建的規模大、結構復雜的工業生產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，提供了一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境[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。作為實驗環節的補充，筆者設計了基于MATLAB/Simulink編程環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，從系統層面加強學生對過程控制系統認知程度，藉此增強學生對系統設計、參數調整的直觀認識，從而提高學習興趣，在理解中掌握知識點、構建專業知識體系。

2 教學中計算機仿真的設計

本節將從單回路控制系統的參數整定、串級控制系統、調節器參數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、從單回路簡單控制系統的設計向多回路復雜控制系統的構建逐步延伸和拓展，貫穿其間的是PID調節器，設計的案例密切聯系教學大綱，同時注意到了知識點的承上啟下和交融性。

2.1 單回路控制系統的參數整定

測得某工業過程的單位階躍響應數據 (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； (2)采用穩定邊界法整定調節器參數，并給出P、PI、PID三種調節器的控制曲線。

圖2 簡單控制系統仿真框圖

臨界比例度Pm和系統等幅振蕩周期Tm由圖3中讀出，根據表1計算出調節規律整定參數。三種調節規律比例 (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 穩定參數法整定參數計算表 [1]

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

2.2 串級控制系統

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

圖4 串級系統結構框圖

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

圖5 串級控制系統與簡單控制系統輸出比較曲線

可以直觀地看出，串級控制系統的控制性能較好。這是因為串級控制系統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的相關知識的基礎上，向其演示串級控制系統組成原理，串級控制調節器參數的整定與投運方法；同時與單回路控制相比較，驗證串級控制系統具有較好的控制性能，能改善系統的動態性能。

2.3 調節器參數變化對控制過程的影響

三種情況下的輸出響應比較曲線，并簡要分析該現象。

在2.1、2.2的基礎上，設計了 “調節器參數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規律，在其他條件相同的情況下，向學生展示參數調整對于系統動態性能的影響，屬于橫向比較，在教學過程中，可以修改PID參數，現場演示調節器參數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三種調節規律比較控制性能，屬于縱向比較，比較曲線如圖6所示。

圖6 三種調節規律的比較曲線

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

通過本教學案例的展示，學生進一步熟悉PID參數調節方法；并且通過PID參數調節橫向比較(P、PI、PID)，縱向比較 (固定幾個參數，改變一個參數)的分析比較實驗，進一步加深對P、I、D各個調節規律特點的認識，熟悉三個調節參數的變化對系統動態、穩態性能的影響；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、從簡單系統到復雜系統、從現象到原理，層層深入，分別針對單回路控制系統、串級系統設計、PID參數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調整對控制效果的影響、直接觀察到系統狀態的變化趨勢，對于增強學生對系統的認識、掌握參數調整規律大有裨益，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，這將是后續可展開的工作。

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

[2]李國勇，何小剛，閆高偉.過程控制系統[M].北京:電子工業出版社，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.控制系統計算機輔助設計：MATLAB語言與應用[M].北京:清華大學出版社，2012.