PID调节规律的教学探讨

蒋开明+杨小峰+李琳琳+黄洪全

摘要：在《计算机控制技术》课程中，PID调节规律难学难懂。本文通过对教学、实验环节分析，讨论了如何提高PID教学质量的针对性的方案和建议，通过对教学联动、MATLAB在PID教学中的应用，来促进学生对PID规律的认识和深化，提高课程的教学质量。

关键词：计算机控制技术；PID；教学联动；MATLAB

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）08-0193-02

《计算机控制技术》课程是电气工程及其自动化专业非常重要的专业课之一[1]，其中有关PID的内容占据相当多的篇幅，同时PID规律在控制系统中的地位不可撼动。在计算机控制系统的设计中，PID规律属于控制策略，与硬件、软件设计处于同等地位，三者缺一不可。学生以前对此接触较少，课程也只能从理论上予以推导，即便在课程中反复强调和演算，学生也不明就理，普遍反映PID内容比较难学[2]。也有部分同学反映感觉思想有认识，但不明白怎么去使用，具体表现在要求学生设计实现闭环控制系统，即把PID规律与控制系统相结合的时候，部分同学却选择性遗忘PID规律。最终影响到学生的学习积极性和主动性。

一、教学内容现状

《计算机控制技术》在理论教学安排中，PID算法有4学时，从理论学习的角度没有问题。那么是什么原因造成的结果？通过我们的调查和分析，认为有如下方面的原因。

1.对闭环控制系统的认识不足。在计算机闭环控制系统中，如何实现系统的快速性、稳定性、准确性，使之满足设计要求。部分同学关注的重点放在硬件本身的快速性和硬件连接的完整性上，比如芯片的运算速度、采样速度和接口地址等，却忽略了重要的调节速度和要求，反映出学生对PID控制规律认识仍然比较薄弱。

2.对PID控制本身的认识欠缺。在计算机控制系统中，PID规律是以离散化的数学模型，通过编制程序在控制系统中实现的。PID控制中P调节反映比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出；I调节反映积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差；D调节反映微分控制系统的稳定性。学生在面对PID具体对象时怎么实现P、I、D协调工作，没有直观的印象和概念。

二、教學探讨

针对以上在学生在学习PID中出现的问题，我们组织相关教师进行探讨，按照现有的条件和教学要求。提出了如下的教改方案：（1）实行相关教学内容的联动机制；（2）增加MATLAB在PID教学中的比重。

1.PID调节规律的教学联动。在电气工程及其自动化专业涉及PID内容的有三门课程，《自动控制原理》、《计算机过程控制》、《计算机控制技术》，我们结合各自课程的特点[3]，强调在学习PID时要解决如下问题：①PID调节在控制系统中不要行不行，从根源上让学生重视；②结合各自课程的特点，在实验环节把PID调节规律作为必做实验之一。如图1所示为计算机过程控制实验中，串级控制实验中PID的调节曲线。

2.MATLAB在PID教学中的应用。MATLAB在所涉课程中都可以让学生深入学习，我们按照教学要求，把MATLAB在《计算机控制技术》中逐渐引入[4，5]，为了让学生熟练掌握和理解PID控制规律。我们在设计了如图2的实验运行人机界面。画面左边为学生自己可以调整控制对象的模型、也可以调节P、I、D各自的参数，研究在单位阶跃作用下的控制效果，右下部为典型PID作用分析功能键，右上部为输出结果。图2输出曲线为控制对象的传递函数为G（s）=，选择P=12，I=0.2，D=0.1的作用效果[5]。

在典型作用环节，共有P调节、PI调节、PD调节、PID调节功能按键，图3为控制对象的传递函数为G（s）=，单位阶跃作用下，典型的PID调节曲线。

对于图3的PID调节，系统偏差比PD调节稍差，但由于积分作用，使得系统没有了余差同时系统的振荡周期变长了。综合来看，PID同时作用的时候控制效果最佳。

三、结语

文针对学生在学习《计算机控制技术》中PID控制规律在设计、教学中出现的问题，提出了相关的解决方法和措施。实践证明，学生形成了一种不自觉的反应，只要有闭环系统就有PID。得益于课堂的PID控制理论分析与各门课程的教学联动，以及Matlab验证PID控制律的实验教学环节，使得学生能够更加深入地理解PID控制规律。

参考文献：

[1]范立南.计算机控制技术[M].机械工业出版社，2009.

[2]余雷，张茂青，费树岷.“计算机控制技术”课程PID控制部分的教学[J].电气电子教学学报，2012，34（2）：104-106.

[3]程艳云.“计算机控制系统”课程建设探索[J].中国电力教育，2013，（32）：103-104.

[4]苏旭武，张铮，张道德，等.MATLAB软件在“计算机控制系统”CAI课件中的应用[J].南京：电气电子教学学报，2005，27（3）：100-102.

[5]张志涌.精通Matlab R2011a[M].北京航空航天大学出版社，2011.