Matlab輔助的過程控制教學方法探究

陳 曦,肖 翀,彭 鑫,榮 軍

(1.湖南理工學院 信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學院 南湖學院,湖南 岳陽 414006)

Matlab輔助的過程控制教學方法探究

陳 曦1,肖 翀2,彭 鑫1,榮 軍1

(1.湖南理工學院 信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學院 南湖學院,湖南 岳陽 414006)

針對過程控制教學中存在的控制系統(tǒng)描述不夠詳細、系統(tǒng)參數(shù)分析不夠深入而導致的學生理解知識有困難的問題,提出了以Matlab為輔助工具的過程控制教學方法.以典型串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為例子,建立了系統(tǒng)仿真模型,分析了系統(tǒng)各主要參數(shù)變化對系統(tǒng)控制性能的影響,作為課程教學的輔助和補充.結(jié)果表明,這種方法能引導學生更直觀、深入的學習課程知識,提高了教學效率和質(zhì)量.

過程控制; 計算機仿真; 教學方法; 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng); 參數(shù)分析

Abstract: There are some problems in process control course teaching,such as the description of control system and system parametric study are not specific enough leading to various study difficulties of students.Aiming to solve these problems,a novel teaching method with Matlab assistance is proposed.A classic cascade control system model is presented,and effects of prime parameters on system performance are analyzed,which could serve as the supplement for course teaching.The results show that the novel teaching method can help students study more directly and thoroughly,and improve the learning efficiency and effects.

Key words: process control,computer simulation,teaching method,cascade control system,parameter analysis

0 引言

過程控制是自動化專業(yè)高年級學生必修的一門專業(yè)課程,對于工業(yè)控制方向的學生來說更是極為重要.該課程一方面是電路設計、自動控制原理、現(xiàn)代控制理論等基礎知識的具體應用,另一方面是后期培養(yǎng)環(huán)節(jié)中課程設計和畢業(yè)設計的重要基礎和方向[1,2].由于該課程涉及的知識范圍較廣,需要學生具有扎實的理論基礎,并且在講授各類型過程控制系統(tǒng)過程中經(jīng)常存在著介紹較為籠統(tǒng),分析不夠深入,對具體案例缺乏具體定性定量分析等問題,導致老師的講解困難和學生對知識的消化不良.針對這些問題,筆者將Matlab作為輔助工具,引入到過程控制課程重點難點的教學中,解決老師授課吃力,學生聽課費心的問題,達到了事半功倍的效果.另外,學生在學習過程控制課程知識的同時,也掌握了Matlab仿真工具的應用,為后續(xù)課程設計和畢業(yè)設計的順利開展打下了良好的基礎.

1 過程控制課程教學難點舉例

在《自動化儀表與過程控制》(第4版)第七章的7.1節(jié)中,串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是本章講授的幾種常用過程控制系統(tǒng)中的重點和難點[3].教材中將火力發(fā)電廠鍋爐設備的過熱蒸汽溫度控制環(huán)節(jié)作為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的案例,如圖1所示.為將鍋爐排放煙氣能量進行余熱回收,入口蒸汽經(jīng)過熱器與煙氣進行熱交換后,以干蒸汽的形式輸出.過熱器作為調(diào)節(jié)對象,管壁金屬本身的熱容量很大,具有較大的熱慣性,而且管道較長故具有一定的純滯后,因此煙氣(f1)、入口蒸汽(f2)、減溫水(f3)的流量變化均可作為干擾經(jīng)過熱器影響到系統(tǒng)對蒸汽溫度(θ1)的準確控制.對于這樣具有大慣性環(huán)節(jié)、大滯后的被控對象來說,傳統(tǒng)的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)很難做到對干擾的迅速克服和被控指標的準確調(diào)節(jié),而串級過程調(diào)節(jié)系統(tǒng)借助其雙回路、雙調(diào)節(jié)器、系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小、工作頻率高的特點能有效克服各種擾動對的θ1影響,提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻率,改善控制質(zhì)量,具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.其中分別表示主副調(diào)節(jié)器和主副回路調(diào)節(jié)對象的傳遞函數(shù),具體表達式為

其中Kc1和Kc2分別代表主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)形式的比例增益;K01和K02分別代表主回路和副回路調(diào)節(jié)對象的增益,T1和T2分別代表主回路和副回路調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù).

圖1 鍋爐設備蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖2 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

課本中對串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的介紹和性能分析,僅基于以上傳遞函數(shù)的計算和推導,從公式的角度分析串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在增加副環(huán)后調(diào)節(jié)性能的提升,例如調(diào)節(jié)頻率、控制器增益、干擾進入位置的影響等,并未給出具體的各項參數(shù)變化對調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響,而且缺乏實例講解,給老師的授課增加了難度,學生也很難充分掌握知識點.針對這一問題,筆者借助Matlab仿真平臺,針對實例建立了串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真模型,從參數(shù)分析角度出發(fā),結(jié)合已有的理論分析教學方法向?qū)W生講解知識點,幫助學生扎實、深入地掌握該課程的重點和難點.

2 基于Matlab的課程教學設計

為幫助學生全面和深入地了解串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性,掌握主副控制器、主副回路調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化與系統(tǒng)輸出之間的映射關系,基于Matlab/Simulink平臺建立了串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真模型,如圖3所示[4～6].輸入值為出口蒸汽溫度設定值(Setting Value),輸出值為出口蒸汽溫度過程值(Stream Temperature),即被控溫度.F1和F2分別為主副回路中存在的干擾,以階躍函數(shù)的形式體現(xiàn).仿真模型中的具體參數(shù)設置見表1.

圖3 基于Matlab的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型

表1 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)設置

3 仿真結(jié)果與教學討論

3.1 主、副控制器參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性影響

對于主、副回路控制器參數(shù)對串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性的影響,教材僅進行了定性的簡單描述,未針對實例深入講解,不利于學生對知識的理解和掌握.本文借助過熱器串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型得到了主、副回路控制器比例增益Kc1和Kc2變化分別對過熱器出口蒸汽溫度的影響.蒸汽溫度設定值為400℃.如圖4(a)所示,當Kc1分別取5、10、20時,出口蒸汽溫度均經(jīng)過震蕩達到穩(wěn)態(tài),隨著Kc1的增大,穩(wěn)態(tài)值與設定值之間的殘差變小,但超調(diào)度也隨之增大,表明增大主控制器增益可減小殘差,但會增大超調(diào)度.如圖4(b)所示,隨著Kc2取值從5到20逐漸增大,出口蒸汽溫度動態(tài)曲線的超調(diào)量逐漸減小,系統(tǒng)的過度過程更加平穩(wěn),表明增大副控制器增益有助于提升串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制效果.這些仿真結(jié)果所得到的結(jié)論與課本定性分析的結(jié)論吻合,但更為直觀的描述了系統(tǒng)動態(tài)特性的機理,更加有助于學生理解和掌握知識.

圖4 主、副控制器增益對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

3.2 主、副回路調(diào)節(jié)對象參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性影響

主、副回路調(diào)節(jié)對象參數(shù)設置直接決定了調(diào)節(jié)對象本身的動態(tài)特性,影響著串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制質(zhì)量.對于具有大滯后慣性緩解的調(diào)節(jié)對象來說,自身的時間常數(shù)大小對串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制效果有著重要影響.如圖5(a)所示,隨著主回路調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)T1增大,出口蒸汽溫度的超調(diào)度明顯減小,但調(diào)節(jié)時間增大,與大時間常數(shù)慣性環(huán)節(jié)的動態(tài)特性相吻合.如圖5(b)所示,當副回路調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)T2增大,出口蒸汽溫度的超調(diào)度增大,調(diào)節(jié)時間增加,意味著副回路調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)與調(diào)節(jié)頻率成反比,時間常數(shù)越小,控制效果越好.傳統(tǒng)授課過程中,在講述串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性時,往往僅側(cè)重于控制器控制效果的分析,忽略了調(diào)節(jié)對象本身的動態(tài)特性介紹,仿真結(jié)果可作為補充,幫助學生直觀、深入理解串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制下不同調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性.

圖5 主、副回路調(diào)節(jié)對象時間常數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

3.3 主、副回路干擾進入位置對系統(tǒng)動態(tài)特性影響

串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個優(yōu)點就是可以通過引入副環(huán),迅速克服副環(huán)中的干擾對被控對象的影響[7,8].但在教材中僅通過公式推導,定性地描述了這一優(yōu)勢.本文通過仿真結(jié)果對比了干擾F1、F2分別從主副回路進入系統(tǒng)對輸出蒸汽溫度造成的影響.如圖6所示,當F1、F2分別以階躍函數(shù)的形式作為干擾進入串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)時,系統(tǒng)對F2的抑制能力要明顯優(yōu)于F1.原因是副環(huán)的調(diào)節(jié)頻率要高于主環(huán),能更加快速地消除干擾帶來的影響.將仿真結(jié)果作為理論分析的補充,可以幫助學生更加容易地理解串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力的特性.

圖6 主、副回路干擾進入位置對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

4 結(jié)論

綜上所述,針對過程控制課程教學中的重點和難點,借助Matlab仿真工具建立相應的系統(tǒng)仿真模型,將仿真結(jié)果與理論分析相結(jié)合可以幫助老師更加全面、深入地講解知識,同時也有助于學生直觀、扎實地理解和掌握知識.既減輕了老師的教學壓力,也提升了學生的聽課效率,達到了事半功倍的效果.

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Teaching Method Research of Process Control Course Using Matlab

CHEN Xi1,XIAO Chong2,PENG Xin1,RONG Jun1
(1.College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China;2.Nanhu College,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

G642

A

1672-5298(2017)03-0091-04

2017-03-16

湖南省自然科學基金(2017JJ3095; 2014JJ3130)

陳 曦(1985? ),男,湖南岳陽人,博士,湖南理工學院信息與通信工程學院講師.主要研究方向: 燃料電池,可再生能源利用系統(tǒng)

肖 翀(1985? ),女,湖南岳陽人,碩士,湖南理工學院南湖學院講師.主要研究方向: 現(xiàn)代邏輯及其應用,思想政治教育