“过程控制工程”课程教学内容改革探讨
黄 勋
（陕西科技大学机电工程学院 陕西西安 710021）
【摘要】 针对“过程控制工程”课程中的单回路控制系统调节器参数对控制品质的影响、参数整定以及计算机控制系统离散PID算法等重要知识点，结合MATLAB/Simulink编程工具给出单回路控制系统计算机仿真教学实例，结合S7-200PLC给出计算机控制系统应用教学实例。设计的教学实例目的明确、内容翔实、图表直观，适用于过程装备与控制工程类本科学生，可作为实验环节的补充，以此增强学生对过程控制系统结构的认知、对系统参数整定的理解以及对计算机控制系统的掌握。
【关键词】 过程控制；计算机仿真；MATLAB；PLC
过程控制工程是以流程性材料生产加工过程为对象，控制理论为基础，化工自动化仪表为工具，生产过程自动化为核心的一门综合性课程［1］。从课程体系上来看，“过程控制”是“自动控制原理”课程的延伸和扩展，是过程装备与控制工程专业一门重要的专业课。针对该课程特点及我校本科教学的实际情况，我们在教学方法、教学实践尤其是教学内容等方面开展了一系列教学改革的探讨与实践。
单回路PID控制系统是过程控制工程的教学重点与核心，它是学习其他复杂控制系统的基础，因此在教学过程中将计算机仿真引入到单回路PID控制系统的教学过程中，在PID控制系统的实现及应用教学过程中，引入可编程控制器，采用S7-200实现PID控制，这有利于学生对课程的学习与把握，培养学生综合应用专业知识的能力及分析问题、解决问题的能力。通过本课程的学习，使学生了解过程控制技术的发展，掌握过程控制系统分析、设计和投运的基础理论知识和工程应用方法，为今后从事专业工作打下坚实基础。
1 计算机仿真在调节参数对系统性能影响教学中的应用［2］
在单回路PID控制系统中，PID参数对控制系统调节性能的影响是十分重要的教学内容，一般要求通过实验分别用P、PI、PID作用观察过程响应规律。我校“过程控制工程”课程开设了一些面向实物的相关实验，如水槽液位控制系统等，但在实际教学过程中鉴于实验课时和场地的限制，用物理模拟实验试验次数少，不易看出规律性，部分学生不能从整体上很好地把握知识体系、牢靠地掌握相关知识点。
目前，控制系统仿真软件已普遍使用，它功能强大，计算速度快，在较短时间内能绘制多种曲线。作为实验环节的补充，教学过程中可以安排在实验前做数字仿真，然后在实验装置上进行印证，做到理论联系实际，为今后的专业知识应用打下基础。
MATLAB是由美国科学计算软件供应商领导者Mathworks公司发布，主要面向科学计算、可视化以及交互式程须设计，其中Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，为过程控制工程的教与学提供了强有力的工具［3］。
过程控制工程课程中引入了基于MATLAB/Simulink编程环境的计算机仿真内容，融合自动控制原理、MATLAB等先修课程内容，加强学生对过程控制系统认知程度，增强学生对控制系统PID调节规律的认识和理解。
教学过程中，假设某工业过程的传递函数为
，Gv（s）=1，Gm（s）=1，调节器为PID控制策略。该系统为定值简单控制系统，输入为单位阶跃信号。主要教学内容有：
（1）在Simulink中搭建解被控过程的仿真系统；
（2）在比例（P）控制方案中，分别给出P1=0.016、P2=0.027、P3=0.100响应比较曲线，并简要分析该现象；
（3）在比例-微分（PI）控制方案中，将P=0.0306固定不变，分别给出Ti2=1.6235、Ti1=1.3072、Ti2=3.2680三种情况下的输出响应比较曲线，并简要分析该现象；
（4）在比例-微分-积分（PID）控制方案中，将P=0.0236和Ti=0.9550固定不变，分别给出Td1=0.1180、Td2=0.2387、Td2=0.3540三种情况下的输出响应比较曲线，并简要分析该现象。
（5）结合文献［4］中给出的P、PI、PID三种控制方案的输出响应比较曲线，并简要分析该现象。
教学内容（2）～（4）是对同一被控对象采用同一种调节规律，在其他条件相同的情况下，向学生展示某一参数变化对系统调节性能的影响，在教学过程中，可以修改PID参数，现场演示调节器参数对控制品质的影响；教学内容（5）是对同一被控对象分别采用P、PI、PID三种调节规律比较控制性能，比较曲线如图1所示。
图1 三种调节规律的曲线比较
由图1可以看出，由于PI、PID都有积分环节，均能消除余差，而曲线A存在余差，故A对应P调节器；曲线B与A相比，由于引入积分环节虽然能消除余差，但是积分环节引起相位滞后，稳定性稍差，故曲线B对应PI调节器；曲线C无余差，并且上升时间快、调节时间短，微分环节对偏差变化趋势预估，有较好的控制效果，故对应PID调节器。
通过本教学案例的展示，特别是PID参数调节性能分析比较实验，学生进一步加深对P、I、D各个调节规律特点的认识，熟悉三个调节参数的变化对系统动态、稳态性能的影响；在教学中巩固和加深学生对理论知识的理解，逐步体会到验证、比较、分析系统控制性能的思想和技巧。
2 计算机仿真在单回路控制系统的参数整定教学中的应用
在学习完成PID各自的作用和特点后，PID参数的整定是PID控制系统教学内容中较为关键的一个环节，常常需在实践环节中进行PID参数的整定。同样实际教学过程中鉴于实验课时和场地的限制，PID参数的整定实验往往不是很理想。
MATLAB/Simulink编程环境的计算机仿真内容中，提供了PID参数整定的仿真。因此在教学过程中引入MATLAB/SimulinkPID参数整定的仿真，以加深学生对PID参数整定目的和整定方法的理解。主要教学内容：
（1）在MATLAB/Simulink中搭建被控对象单回路控制系统；
（2）采用临界比例度法整定调节器参数。
教学过程中，首先测得某工业过程的单位阶跃响应曲线，如图2所示。
图2 对象单位阶跃响应曲线
利用图表法读取得到该工业过程（被控对象）的传递函数
，单回路控制系统的仿真框图如图3所示；改变调节器的比例度，直至系统产生等幅振荡曲线如图4所示。
图3 单回路控制系统仿真框图
图4 等幅振荡曲线
临界比例度Pm和系统等幅振荡周期Tm由图4中读出，根据文献［5］给出的临界比例度整定表计算出调节规律整定参数。
该教学实例较为简单，其目的是通过课堂展示，使学生熟悉单回路控制系统的工程整定方法及其目的；在调节器参数整定的学习和演示中，进一步了解比例度与比例系数，微分、积分时间常数与微分、积分比例系数的关系。
3 PLC在计算机控制系统教学中的应用
随着计算机技术的发展，计算机逐渐取代模拟式仪表，成为过程控制系统重要的自动化装备［5］。计算机控制系统是过程控制工程课程的重要内容之一。但是在教学过程中，一般仅完成数字式PID控制算法的学习和讨论，由于没有真正的结合计算机来进行上述内容的教学工作，部分学生不能很好地理解计算机控制系统的组成、工作原理及应用。在数字式PID控制算法教学内容的基础上，有必要将计算机控制系统的应用引入到本节教学内容中，以加深学生对计算机控制系统的理解和把握。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，在过程自动化中占有重要的地位。在开设课程过程控制工程前学校已经开设了PLC编程及应用课程，本课程中引入了S7-200PLC在过程控制中的应用，该部分内容安排在液位控制系统实验前，以便学生理论和实践相结合，加强学生对计算机控制系统的掌握。
教学过程中，以水槽液位控制系统为例，采用S7-200PLC来实现数字量控制。如图5所示，液位控制系统由水箱主体、液位传感器、单向泵、可编程控制器构成；水箱主体由上水箱、一个回收水槽、两个泄水阀门、电动调节阀、水泵和连接构件组成。PLC根据实测水箱内液位自动调节出水阀门开度，保证水箱1液位在循环过程中保持液位相对稳定。其中，液位传感器与PLC的AIW0连接，电动调节阀与PLC的AQW0连接。
图5 基于PLC的液位控制系统
教学内容：
（1）基于S7-200简单PID液位控制系统的组成及工作原理；
（2）S7-200中PID算法。
教学内容（1）向学生展示基于S7-200简单PID控制系统信息传递过程，S7-200从液位传感器获得液位信息（AIW0），通过PID计算，输出调节信号给AQW0，电动调节阀从AQW0获得调节信号改变阀门的开度，进而调节进入水箱1中的流量，使液位逐渐调节到设定值一定范围内。
教学内容（2）向学生展示数字计算机PID算式。S7-200PID离散算式［6］如下。
Mn=MPn+MIn+MDn （1）
式中，Mn为第n此采样时刻的计算值；MPn为第n此采样时刻的比例项值；MIn为第n此采样时刻的积分项值；MDn为第n此采样时刻的微分项值。比例项MPn是增益（Kc）和偏差（e）的乘积。其中Kc决定输出对偏差的灵敏度，偏差（e）是给定值（SP）与过程变量值（PV）之差。其中比例项算式和积分项算式为例来讨论，它们分别是：
MPn=Kc（SPn-PVn） （2）
（3）
式中，MPn为第n此采样时刻的比例项值；Kc为增益；SPn第n此采样时刻的给定值；PVn为第n此采样时刻的过程变量值。积分项值MIn与偏差和成正比，积分和MX是所有积分项前值之和。在每次计算出MIn之后，都要用MIn去更新MX。积分项还包括其他几个常数：增益Kc，采样时间间隔Ts和积分时间Ti。其中积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。
该教学实例较为简单，其目的是通过课堂展示，使学生熟悉计算机控制系统的组成、工作原理以及数字式PID算法。
4 结论
本文介绍了“过程控制”教学工作引入的计算机仿真教学案例及PLC应用案例，针对单回路控制系统、PID参数调整对控制性能的影响等知识点介绍了相关仿真实例的设计并给出了部分仿真结果，针对计算机控制系统知识点介绍了S7-200单回路控制系统的设计和工作原理。该教学方案的应用能使学生在课堂中感受到参数调整对控制效果的影响、直接观察到系统状态的变化趋势、直接感受到数字量控制的组成及工作原理，对于增强学生对系统的认识、掌握参数调整规律以及计算机控制系统的应用大有裨益，可作为实验教学的补充。
参考文献
［1］ 刘丽华，王巧玲，艾红.过程控制课程教学改革的探索与实践［J］.科技信息.2015，485-487.
［2］ 杨杨，叶多.“过程控制”课程计算机仿真教学探讨［J］.泰州职业技术学院学报.2014（14）：17-19.
［3］ 薛定宇.控制系统计算机辅助设计：MATLAB语言与应用［M］.北京：清华大学出版社，2012.
［4］ 王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表［M］.北京：机械工业出版社，2012.
［5］ 王毅.过程装备控制技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2010.
［6］ 廖常初.PLC编程及应用［M］.重庆：重庆大学出版社，2010.