MATLAB仿真在過程控制實驗中的教學探討

李雙雙+王瀅

摘 要：實驗類教學是工科專業必不可少的教學環節，實驗環節有助于幫助學生理解理論性內容并提高實際操作能力，對各課程實驗內容的完善也是學校綜合實力的體現。本文針對于本科自動化類《過程控制系統》課程的計算機仿真相關實驗的教學內容以及教學實例進行分析探討，總結出適合學生學習的教學實驗案例，有助于學生增強對于過程控制以及MATLAB的認識。

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

引言

《過程控制系統》課程在自動化專業的教學體系中占有重要地位，是自動化專業的必修專業課，其中過程控制實驗是教學中重要的環節。隨著計算機仿真技術的不斷發展，與過程控制有關的系統仿真也逐漸成為重要的實驗教學內容。過程是指連續的而生產過程，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。隨著工業技術的不斷發展，過程控制相關內容也應與時俱進，特別是與計算機仿真的有關內容。掌握過程控制的基本內容與相應實驗技能對于自動化專業學生是至關重要的。

另一方面，MATLAB是Mathworks軟件開發公司開發的，主要面向科學計算、可視化及交互程序設計等內容，由主包、工具箱及simulink等模塊構成，憑借其簡單的編程方式、友好的操作界面以及強大的數據處理和圖形處理功能，成為當今炙手可熱的仿真軟件之一，應用于各個領域學科。

一、教學中的仿真實驗案例設計

本節將針對一個特定模型，采用MATLAB-simulink為仿真工具，教學案例一設計為：分別對現有對象進行單回路控制系統設計，整定PID控制器參數，分析對比PID控制在不同控制參數下的控制效果；教學案例二設計為：針對特定被控過程，分別用經典PID控制、模糊控制以及模糊PID控制方式，整定控制參數，分析仿真控制結果。

從知識體系上來說，過程控制中以單回路控制為基礎，逐步向復雜控制結構延伸和拓展，最為經典的控制規律為PID控制，隨著技術的發展，各種復雜控制方式也逐漸成為教學內容，下面的兩個實驗教學案例設計體現了實驗教學大綱的知識點。

1.實驗教學案例1

主要教學內容：（1）利用MATLAB-simulink構建單回路控制系統仿真結構圖（2）整定PID參數，分析總結PID控制作用。

已構建廣義被控過程模型為：

結合單回路控制系統結構，利用MATLAB-simulink畫出仿真框圖：

單回路控制系統在仿真過程中所得仿真特性圖最能體現對象的特性。系統中控制器控制規律為PID控制，可以通過改變KP、TI、TD值，得到多組階躍響應結果。

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

由圖可看出，當比例系數KP增大時，余差雖然會減小，但是系統的穩定性會變差，容易產生振蕩，相反的話，余差又會增大，當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值上，因為如果被控變量值和給定值之間的偏差為零，調節器的輸出不會發生變化，系統也就無法保持平衡。

在講此教學案例時，可給學生演示如何利用MATLAB-simulink構建單回路控制系統仿真模型，以及如何修改PID參數得到階躍響應曲線。

基于以上實驗內容，還可以讓學生繼續嘗試串級控制結構、PI控制、PD控制以及PID控制，改變不同參數得到不同控制效果，分析得到實驗結果并于理論性內容對比驗證。

2.實驗教學案例2

主要教學內容：（1）利用MATLAB-simulink構建單回路控制系統仿真結構圖（2）學習MATLAB模糊控制工具箱的使用方法，隸屬函數的添加等內容（2）分別修改控制器為模糊控制器、PID控制器，合理整定參數，分析總結PID控制、模糊控制的作用。

已構建廣義被控過程模型為：

以模糊PID控制為例，本案例采用自適應模糊PID控制方式，也就是由偏差及偏差變化率根據模糊規則在線修改PID參數值。利用MATLAB-simulink及模糊控制工具箱構建以下系統框圖：

合理設計模糊控制器隸屬函數以及PID參數值，可得到多組仿真結果，以下為其中一種結果。

學生還可自行設計經典PID控制系統仿真框圖、模糊控制系統仿真框圖，分析對比多種控制器參數，得到分析結論與課程理論內容比較。

此實驗內容可以幫助學生理解不同控制規律對于控制系統的控制作用，加深學生對于理論知識的理解和運用。

二、結語

本文結合“過程控制”相關理論知識以及MATLAB-simulink仿真工具，提出了適合本科自動化類學生的計算機仿真教學案例。對于已經建立好模型的實際系統，由簡單控制結構到復雜控制結構、由簡單控制規律到復雜控制規律、由仿真實驗現象加深對理論性內容的理解的內容，提出了兩個過程控制實驗教學實例，提出了具體設計目標、設計內容以及教學方法。作為過程控制實驗教學的補充，該教學實例可以幫助學生理解仿真在過程控制中的應用，加深關于控制結構和控制規律的相關理論性內容的理解。實際應用時，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設計[J].化學工程與設備，2014（1）：11—14.

[4]楊楊，葉多.“過程控制”課程計算機仿真教學探討[J].泰州職業技術學院學報，2014（14）6：17-20