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MATLAB仿真在过程控制实验中的教学

摘　要：实验类教学是工科专业必不可少的教学环节,实验环节有助于帮助学生理解理论性内容并提高实际操作能力,对各课程实验内容的完善也是学校综合实力的体现.本文针对于本科自动化类《过程控制系统》课程的计算机仿真相关实验的教学内容以及教学实例进行分析探讨,总结出适合学生学习的教学实验案例,有助于学生增强对于过程控制以及MATLAB的认识.

关键词：过程控制实验　MATLAB　PID

中图分类号：G64　　文献标识码：A　　　　文章编号：1003-9082 (2017) 04-0000-01

引言

《过程控制系统》课程在自动化专业的教学体系中占有重要地位,是自动化专业的必修专业课,其中过程控制实验是教学中重要的环节.随着计算机仿真技术的不断发展,与过程控制有关的系统仿真也逐渐成为重要的实验教学内容.过程是指连续的而生产过程,是指对于被控量为压力、温度、液位、流量等变量进行控制的系统.随着工业技术的不断发展,过程控制相关内容也应与时俱进,特别是与计算机仿真的有关内容.掌握过程控制的基本内容与相应实验技能对于自动化专业学生是至关重要的.

另一方面,MATLAB是Mathworks软件开发公司开发的,主要面向科学计算、可视化及交互程序设计等内容,由主包、工具箱及simulink等模块构成,凭借其简单的编程方式、友好的操作界面以及强大的数据处理和图形处理功能,成为当今炙手可热的仿真软件之一,应用于各个领域学科.

一、教学中的仿真实验案例设计

本节将针对一个特定模型,采用MATLAB-simulink为仿真工具,教学案例一设计为：分别对现有对象进行单回路控制系统设计,整定PID控制器参数,分析对比PID控制在不同控制参数下的控制效果；教学案例二设计为：针对特定被控过程,分别用经典PID控制、模糊控制以及模糊PID控制方式,整定控制参数,分析仿真控制结果.

从知识体系上来说,过程控制中以单回路控制为基础,逐步向复杂控制结构延伸和拓展,最为经典的控制规律为PID控制,随着技术的发展,各种复杂控制方式也逐渐成为教学内容,下面的两个实验教学案例设计体现了实验教学大纲的知识点.

1.实验教学案例1

主要教学内容：（1）利用MATLAB-simulink构建单回路控制系统仿真结构图（2）整定PID参数,分析总结PID控制作用.

已构建广义被控过程模型为：

单回路控制系统在仿真过程中所得仿真特性图最能体现对象的特性.系统中控制器控制规律为PID控制,可以通过改变KP、TI、TD值,得到多组阶跃响应结果.

只采用比例（P）控制时：KP等于4时；KP等于2；KP等于6时的阶跃响应结果如下图所示：

由图可看出,当比例系数KP增大时,余差虽然会减小,但是系统的稳定性会变差,容易产生振荡,相反的话,余差又会增大,当被控变量受干扰影响而偏离给定值后,不可能再回到原先数值上,因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零,调节器的输出不会发生变化,系统也就无法保持平衡.

在讲此教学案例时,可给学生演示如何利用MATLAB-simulink构建单回路控制系统仿真模型,以及如何修改PID参数得到阶跃响应曲线.基于以上实验内容,还可以让学生继续尝试串级控制结构、PI控制、PD控制以及PID控制,改变不同参数得到不同控制效果,分析得到实验结果并于理论性内容对比验证.

2.实验教学案例2

主要教学内容：（1）利用MATLAB-simulink构建单回路控制系统仿真结构图（2）学习MATLAB模糊控制工具箱的使用方法,隶属函数的添加等内容（2）分别修改控制器为模糊控制器、PID控制器,合理整定参数,分析总结PID控制、模糊控制的作用.

已构建广义被控过程模型为：

以模糊PID控制为例,本案例采用自适应模糊PID控制方式,也就是由偏差及偏差变化率根据模糊规则在线修改PID参数值.利用MATLABsimulink及模糊控制工具箱构建以下系统框图：

合理设计模糊控制器隶属函数以及PID参数值,可得到多组仿真结果,以下为其中一种结果.

学生还可自行设计经典PID控制系统仿真框图、模糊控制系统仿真框图,分析对比多种控制器参数,得到分析结论与课程理论内容比较.

此实验内容可以帮助学生理解不同控制规律对于控制系统的控制作用,加深学生对于理论知识的理解和运用.

二、结语

本文结合“过程控制”相关理论知识以及MATLAB-simulink仿真工具,提出了适合本科自动化类学生的计算机仿真教学案例.对于已经建立好模型的实际系统,由简单控制结构到复杂控制结构、由简单控制规律到复杂控制规律、由仿真实验现象加深对理论性内容的理解的内容,提出了两个过程控制实验教学实例,提出了具体设计目标、设计内容以及教学方法.作为过程控制实验教学的补充,该教学实例可以帮助学生理解仿真在过程控制中的应用,加深关于控制结构和控制规律的相关理论性内容的理解.实际应用时,教师可采取以建模为起始实验点,利用锅炉、加热炉等具体工业过程为过程对象,增加实用性及趣味性.

参考文献

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[3]杨晓武,李劲松,李干荣,等.基于Matlab的锅炉液位模糊控制系统设计[J].化学工程与设备,2014(1):11—14.

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