摘 要:过程控制系统是一门应用性和实践性很强的课程,很多重要的概念和方法都要通过实验才能更好的掌握。在教学改革实践中,引人Matlab/Simulink仿真手段,强化实验教学环节,使抽象的过程控制理论形象化,取得比较满意的教学效果。
关键词:过程控制系统 Matlab/Simulink 仿真 教学改革
中图分类号:TP316文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)11-0086-02
Abstract: Process control system is an applied and practical course. Many important concepts and methods only can be better mastered by experiments. In the process of teaching reform, the introduction of Matlab/Simulink simulation tool to strengthen teaching experiment can visualize the abstract process control theory. And the satisfied teaching can be obtained.
Key words:process control system; Matlab/Simulink；simulation;teaching reform
1 引言
过程控制系统是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等知识相结合而构成的一门应用科学,是高职高专自动化专业的一门应用性和实践性很强的课程。该课程的主要任务是通过对过程控制理论的学习, 培养学生对过程控制系统的分析设计能力、工程实践能力。因此,实验环节对这门课程来说非常重要,许多概念和方法都可以通过实验来更好的掌握。我们在教学过程中引入了计算机仿真实验,通过强化实验教学环节,使抽象的系统理论形象化,提高了学生分析与解决问题的能力。计算机仿真具有经济、灵活、安全等特点,学生不仅可以利用仿真平台掌握过程控制系统的基础理论和方法,还可以作为日后工程实践的一种辅助技术手段。
2 Matlab/Simulink介绍
Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数学分析与运算可视化软件,可以用作动态系统的建模、分析与仿真。它提供了强大的矩阵处理和绘图功能,可信度高,灵活方便,非常适合现代控制理论的计算机辅助设计。Simulink是Matlab软件的扩展,它是一个能实现动态系统建模和仿真的软件包。Simulink模块可实现可视化建模,用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真,加深对课堂所学的过程控制系统的理解,培养工程实施能力。
3 课程教学改革
高职高专课程评价新标准是:(1)能力目标；(2)任务训练；(3)学生主体。我们使用Matlab/Simulink作为过程控制系统这门课的辅助教学工具完全符合高职高专课程教学改革的理念。在课堂上,教师可以利用Matlab/Simulink搭建各种控制系统,使学生清晰了解一个过程控制系统是如何组成的,系统各个环节的模型是怎样构造的,系统又是如何运动的；并且可以让学生对控制系统的特性进行分析、比较,让学生参与到教学活动中来,成为课堂的主体,引起学生的学习兴趣,提高了授课质量。另外教师可以布置能力训练任务,让学生针对一些典型的过程控制系统进行建模、分析、整定。因为有明确的任务,学生的注意力会更集中,更能激发学生的学习潜能。这样在学生完成任务的同时,不知不觉也锻炼了学习、分析能力,学到了专业知识。这种教学教学模式,将学生从原来被动的学习模式中解放出来,使其真正成为学习的主人,突出学生的主体作用；将教、学、做有机地结合,加强实践教学,注重技能培养,突出高职高专教育特色。
4 Matlab/Simulink的仿真应用
4.1 自衡的非振荡过程仿真
自衡的非振荡过程是在工业生产中最常见的过程。在阶跃信号作用下,其输出响应曲线没有振荡地从一个稳态趋向于另一个稳态。教师先用理论分析法推导建模过程,然后可以在Simulink中建立模型,直观的演示自衡非振荡过程的特性；还可以任意修改放大系数、时间常数和纯滞后时间这三个特性参数,观察改变参数后过程的特性,加深学生的印象。实践证明,引人Simulink可以帮助学生理解理论知识,避免被枯燥的公式推导吓怕,激发学习兴趣。
如图1所示。
4.2 PID控制系统仿真
PID控制器是控制系统中技术成熟、应用最为广泛的一种基本控制器。它的优点是结构简单,容易实现,不需要被控对象的数学模型,控制效果好。PID输出u(t)与偏差e(t)之间的表达式为:u(t)=[e(t)++]。在这一部分教学内容中,学生比较难理解和掌握的是比例增益、积分时间和微分时间对系统控制质量的影响。利用Simulink仿真,学生通过修改参数,观察响应曲线,很容易就比较出各参数对控制系统的作用。例如观察比例增益对控制系统的影响,我们可以搭建如图2所示的仿真模型,然后修改比例增益分别为0.5、1.5、3.5,观察仿真输出曲线,我们不难得出结论:比例增益增大,系统响应速度加快,超调量也随之增加；比例增益过大,系统会趋向不稳定。如果要观察积分控制消除余差的特点,我们可以在此基础上添加积分项就可以了。比较比例(P)控制和比例积分(PI)控制的响应曲线,即可验证积分控制消除余差的作用。
如图2所示。
4.3 串级控制系统仿真
串级控制系统是一种常用的复杂控制系统,由两个控制器串联连接构成,其中一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。串级控制系统在工程实践中应用很多,但是由于本身比较复杂,学生掌握起来有一定的困难。例如在串级控制系统的设计中规定,所选的副变量应使副回路尽量少包含或不包含纯滞后。用传统的理论分析教学模式学生不易理解,我们用Simulink搭建如图3所示串级控制系统,并把滞后环节分别放置在主回路和副回路中,通过仿真就可以比较出两者对控制质量的影响。串级控制系统的其他许多特性,包括PID控制参数的整定,我们都可以利用Simulink方便的仿真,加深理解和熟练掌握。
如图3所示。
5 结语
Matlab/Simulink在过程控制系统课程中应用非常广泛。通过仿真,让课程内容显得容易理解,提高学生的学习兴趣和学习积极性,在课堂教学中收到了良好的效果。
参考文献
[1] 齐卫红.过程控制系统[M].北京:电子工业出版社,2007.
[2] 何离庆.过程控制系统与装置[M].重庆:重庆大学出版社,2003.
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