李雙雙+王瀅

摘 要：實驗類教學是工科專業(yè)必不可少的教學環(huán)節(jié)，實驗環(huán)節(jié)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(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(tǒng)》課程在自動化專業(yè)的教學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中重要的環(huán)節(jié)。隨著計算機仿真技術的不斷發(fā)展，與過程控制有關的系統(tǒng)仿真也逐漸成為重要的實驗教學內容。過程是指連續(xù)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(tǒng)。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)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(yè)學生是至關重要的。

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(shù)據(jù)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(jié)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(xiàn)有對象進行單回路控制系統(tǒng)設計，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(shù)，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(guī)律為PID控制，隨著技術的發(fā)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(xiàn)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(tǒng)仿真結構圖（2）整定PID參數(shù)，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(tǒng)結構，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(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(shù)值上，因為如果被控變量值和給定值之間的偏差為零，調節(jié)器的輸出不會發(fā)生變化，系統(tǒng)也就無法保持平衡。

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

基于以上實驗內容，還可以讓學生繼續(xù)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(shù)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(tǒng)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(shù)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(shù)，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(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建以下系統(tǒng)框圖：

合理設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(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(guī)律對于控制系統(tǒng)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(tǒng)，由簡單控制結構到復雜控制結構、由簡單控制規(guī)律到復雜控制規(guī)律、由仿真實驗現(xiàn)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(guī)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(yè)過程為過程對象，增加實用性及趣味性。

參考文獻

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