基于MATLAB的过程控制系统仿真实验搭建
2020-09-10卫广太
卫广太
摘要：过程控制课程是自动化专业综合专业课，是工业控制技术的理论支撑和基础。课程理论性较强，单一的案例教学不能满足学生对过程控制理论的需求。本文以MATLAB软件下的SIMLINK为平台，通过实验让学生掌握过程控制系统的控制结构，各组成仪表之间的联系，信号及能量的流动关系以及控制方案间的区别。该仿真实验系统具有操作简单、理论实践结合紧密、可设计性强等特点，方便使用者自主练习，对培养学生控制思维，控制系统设计有较大帮助。
关键词：过程控制系统;MATLA;仿真实验
一、过程控制理论授课难点
（一）结构融合难
这部分知识在讲解时理论性偏强，学生又没有多少控制理论基础，如果一味讲解，会造成学生学习产生畏难情绪，从而失去兴趣。
（二）控制方案难
在工业控制系统设计时，究竟应该采取什么样的控制方案呢？如果单一的靠控制系统的工艺要求和特点选择，会让学生感觉到很难，并且脱离实际。
（三）参数整定难
参数整定是设计中必有环节，整定理论难以理解。
二、用仿真实验解决问题
（一）解决结构融合难
在仿真实验当中，利用MATLAB软件下的SIMLINK平台将控制器、执行器、变送器、被控对象、和输入信号以传递函数形式模拟出来，并进行有效连接，如图2.1所示：
图2.1中用仿真模块代替控制器、执行器、变送器、被控对象，每个部分都可以进行参数设置，可以大大提高同学们对其组成部分的掌握，弄懂各组成部分的作用以及之间的联系。同时，也可以在示波器当中观测被控量的过渡过程，加深学生们对整个控制系统的融合，逐渐提高其控制思维。
（二）解决控制方案难
在过程控制系统设计时，控制系统的控制方案是要全局考虑的，这需要同学们详细掌握每种控制方案的特点和适用场合，显然对于初学者来说，理论和经验都比较生疏。本文以管式加热炉温度控制系统的单回路控制和串级控制对比，最终选择控制方案。
1.单回路工作特点及仿真实现
搭建仿真实验SIMLINK结构图如图2.1所示。
通过调试得到管式加热炉出口温度单回路控制系统仿真结果，如图2.2所示。
由图2.2仿真结果曲线分析得到管式加热炉出口温度单回路控制系统性能指标超调量25%，调整时间9，稳态偏差为0。
2.串级工作特点及仿真实现
搭建仿真实验SIMLINK结构图如图2.3所示。
通过调试得到管式加热炉出口温度串级控制控制系统仿真结果仿真结果曲线分析得到管式加热炉出口温度串级控制系统性能指标超调量7.9%，调整时间5.3，稳态偏差为0。
由以上单回路和串级仿真结果分析得到：串级控制方案性能指标优于单回路控制方案，但串级控制方案结构复杂，所以在选择控制方案时还要根据工艺要求和现场情况综合选择。
（三）解决参数整定难
我们以单回路控制系统为例介绍参数整定的仿真方法，构建SIMLINK单回路结构图如图2.1所示。
学生在整定过程中边看曲线边调参数，反复加深PID参数对PID规律的影响以及PID控制规律对控制系统的影响，即提高学生兴趣又提高其理论和实际结合的能力，同时加深学生的控制思维。
三、总结分析
以我院自动化专业（四）为例，在使用仿真实验教学后，2016级比2015级平均成绩提高8.3分，2017级比2016级平均成绩提高3.34分;经过后继课程设计和毕业设计对比，学生对控制系统的设计能力大幅度提高。
该教学方法将会根据学生的学习情况不断更改，后继考虑在仿真实验基础上引入实际控制系统设计，完成理论授课-仿真实验-实际系统教学模式，为学生提高理论应用于实践的能力打下基础，更好的完成应用本科的教学宗旨。
参考文献：
[1]张春元，陈安民，原梅妮，康东轩.基于串级模糊PID的药型成形工艺温度控制系统设计与仿真[J].兵器装备工程学报，2020，41（08）：182-186.
[2]侯鹏飞，贾新春，王琦.基于模糊PID的主汽温串级自适应控制[J].中国新技术新产品，2019（15）：1-3.
[3]王茜，陈国达，李孝祿.基于Matlab的过程控制系统仿真实验设计[J].实验技术与管理，2017，34（02）：119-123.
[4]马婷，严孟颖，马乾钦.加热系统建模仿真[J].通讯世界，2016（16）：269-271.
[5]眭惟红.管式加热炉温度控制系统的设计[J].化工设计通讯，2016，42（06）：181+185.
[6]曾祥龙. 工业管式加热炉优化控制方法研究[D].北京化工大学，2016.
[7]陈杰来，姜大志，田晓峰.如何实现常规过程控制系统仿真[J].电子技术与软件工程，2016（01）：87.
[8]王银锁，李海霞.过程控制系统仿真的实现[J].自动化与仪器仪表，2015（10）：58-59.
[9]王浩宇，张云生，张果.管式加热炉PID算法改进及其在虚拟仪器中的应用[J].自动化仪表，2009，30（04）：51-54.
