《計算機測控技術》課程中PID控制部分的教學探討

黃福珍++錢虹

【摘 要】PID控制是《計算機測控技術》課程的主要內容之一。文章主要針對該內容從PID控制算法理論分析、Matlab驗證PID控制規(guī)律以及實驗溫度PID閉環(huán)控制三個方面進行分析，提出了一些有針對性的教學建議和方法。

【關鍵詞】《計算機測控技術》 PID控制 教學探討

隨著科學技術的飛速發(fā)展，采用計算機來實現(xiàn)控制成為現(xiàn)代化生產的必然要求[1]?！队嬎銠C測控技術》是我校自動化專業(yè)的專業(yè)主干課程之一，本課程的目的就是使學生掌握計算機控制系統(tǒng)的硬件、軟件的選擇、組織配置、設計及應用，即計算機在工業(yè)領域中的監(jiān)測技術以及在該領域內的應用特點。PID控制器設計是《計算機測控技術》的主要內容之一，一般的計算機控制技術教材中都有關于PID控制的內容，主要包括：位置式PID算法、增量式PID算法、PID控制算法的改進和PID參數(shù)整定等[2]。但是在教學過程中，很多學生反映這部分內容比較難學，接受和理解起來較為困難。本文從PID控制算法理論分析、Matlab驗證PID控制規(guī)律以及實驗溫度PID閉環(huán)控制三個方面進行分析，提出了一些有針對性的教學建議和方法，加強理論與實踐之間的聯(lián)系，以提高本部分課程內容的教學質量和教學效果。

一、PID控制算法理論分析

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量對被控對象進行的控制，稱為PID控制。在生產過程自動控制的發(fā)展過程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的一種控制方式。因此，PID控制算法一直是控制相關專業(yè)的教學重點，在《自動控制原理》《自動控制儀表》《過程控制系統(tǒng)》和《計算機測控技術》等課程中都有所涉及，只是講解的側重點不同。

《計算機測控技術》這門課程主要介紹數(shù)字PID控制器的原理及設計方法。由于學生在前期課程中接觸過模擬PID算法，所以在具體教學時，我們首先按照比例、積分和微分的順序分別介紹PID的三種控制作用以及對一般控制系統(tǒng)的動態(tài)特性影響；接著討論三種控制方式組合后P、PI、PD及PID的優(yōu)缺點；在此基礎上，推導出數(shù)字位置式PID算式與增量式PID算式，并對這兩種算法從數(shù)學和應用的角度進行比較分析。

除標準PID算法外，為使PID控制更加靈活多樣，更滿足對控制系統(tǒng)提出的各種要求，還有各種各樣的改進PID算法，如積分分離的PID算法、變速積分的PID算法、不完全微分的PID算法以及帶死區(qū)的PID算法等。在課堂教學中，教師要注意講解為什么要提出這些改進的算法，并將改進的算法與標準PID算法進行性能對比。

二、Matlab驗證PID控制規(guī)律

Matlab軟件在數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和自動控制等方面都有廣泛應用，它內含的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink通過方塊圖的方式來構建系統(tǒng)，可以方便、快速地找到能使系統(tǒng)達到滿意性能指標的參數(shù)，并以圖形的形式反映仿真結果[3-4]。將Matlab引入到《計算機測控技術》課程PID控制部分的教學中，不僅有助于學生對該部分內容的掌握和理解，使學生認識到PID控制規(guī)律的本質，還可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力。

與PID控制密切相關的參數(shù)有比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，熟悉這三個重要參數(shù)對過渡過程的影響，有助于快速調節(jié)自動控制系統(tǒng)。我們以一個簡單的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)為例來說明PID作用對控制過程的影響。假設被控對象的傳遞函數(shù)為：，在單位階躍輸入信號作用下，用Matlab仿真來研究參數(shù)Kp、Ki、Kd對控制過程的影響。

首先采用純比例控制，圖1給出了比例系數(shù)Kp變化時的系統(tǒng)階躍響應曲線圖。從圖中可以看出：單純的比例控制無法使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0，即單純的比例控制是有差調節(jié)。當Kp較小時（Kp=2），穩(wěn)態(tài)誤差較大；隨著Kp增大（Kp=10），穩(wěn)態(tài)誤差逐漸變??；Kp再進一步增大（Kp=50），穩(wěn)態(tài)誤差較小，但同時系統(tǒng)振蕩也增加了。

圖1 Kp對控制過程的影響

三、實驗溫度PID閉環(huán)控制

我們的實驗是在西安唐都科教儀器公司開發(fā)的TD-PITE實驗平臺上進行的。溫度閉環(huán)控制原理如圖2所示。人為數(shù)字給定一個溫度值，與溫度測量電路得到的溫度值（反饋量）進行比較，其差值經過PID運算，將得到控制量并產生PWM脈沖，通過驅動電路控制溫度單元是否加熱，從而構成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 溫度控制實驗原理圖

下載PID程序調試運行后，改變PID參數(shù)IBAND、KPP、KII、KDD，重復實驗，觀察實驗現(xiàn)象，找出合適的參數(shù)并記錄。其中，實驗參數(shù)的含義及取值范圍如表1所示。

PID控制器控制效果的好壞在很大程度上取決于參數(shù)Kp、Ki和Kd的選取是否合適。確定這些參數(shù)可以采用理論分析方法，但是工程上一般采用試湊法、擴充臨界比例度法或擴充響應曲線法等實驗方法來確定，特別是系統(tǒng)被控對象模型參數(shù)不確定或不準確時，實驗方法較為有效。課堂教學中關于這三種工程整定方法的基本原理和步驟都已詳細介紹過。本實驗中，我們安排學生根據(jù)具體需要選擇相應的參數(shù)整定方法，并在參數(shù)整定過程中，要求學生進一步總結參數(shù)整定的經驗，以進一步理解PID 控制作用。

【參考文獻】

[1]李曼.自動化生產中的計算機控制技術[J].數(shù)字技術與應用，2013（03）：16.

[2]林敏.計算機控制技術及工程應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3]高玨.Simulink仿真在PID控制教學中的探索與設計[J].廣州化工，2013，41（20）：199-200，212.

[4]西安唐都科教儀器公司.80X86微機原理及接口技術實驗教程[EB/OL].http：//www.doc88.com/p-2002478883717.html，2012.