matlab仿真技术在热工过程控制系统教学中的应用

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1、Matlab仿真技术在热工过程控制系统教学中的应用王业萍，饶金华，王美英（江西电力职业技术学院，江西南昌330032）摘要：在热工过程控制系统课程教学过程中，引进Matlab仿真技术，将复杂抽象的理论讲解转换为形象的仿真演示，并设置相应实验环节，这样既增进了学生对理论知识的理解和掌握，又锻炼了学生实践动手能力，教学效果良好。关键词：热工过程控制系统；Matlab仿真技术；仿真演示；实践动手能力中图分类号：G642.4文献标识码：A文章编号：1673-0097（2013）04-0045-040引言控制对象的动态特性取决于它的内部过程的物理性质、设备的结构参数和运行条件

2、等，原则上可以用分析方法写出它的动态方程式。但是由于一般热工对象内部的物理性质比较复杂，加之运行过程中的一些实际条件很难全面予以考虑，因此，用分析方法并不容易得到动态特性的精确数学表达式。比较常用的方法是在运行条件下通过实验来获得对象的动态特性。（2）调节器的控制规律调节器的控制规律中最基本的作用是比例、积分和微分作用。由这三种基本的作用分别组合叠加则构成不同的调节器，同一种调节器参数变化对系统调节也会产生影响。（3）控制系统的设计根据被控对象的动态特性选择合适的控制系统。（4）调节器参数的整定对以选择好的控制系统，根据实际要求计算控制器参数，并经现场调试整定。对上

3、述4个部分内容的讲解都需要实际设备来演示，但在理论教学中，不具备现场做实验的条件，因此，在授课时老师只能把实验过程和试验结果直接告知学生，不能形象演示。热工过程控制系统是检测技术及应用、生产过程自动化等专业的一门重要专业课程，所学内容直接应用于生产过程控制系统设计、调试、维护等工作岗位，因此，对于学生来说，学好这门课程至关重要[1-3]。热工过程控制系统包含控制对象的动态特性、调节器的控制规律、控制系统参数整定等众多复杂抽象内容，使得这门课程的学习比较困难。如何将这些复杂抽象的内容形象化，是教好这门课程的关键。Matlab的Simulink不仅能对控制系统的数学模型

4、进行仿真，还能对控制系统进行时域分析、稳定性分析、稳态误差分析等。在热工过程控制系统课程教学中引进Matlab的Simulink仿真技术[4-5]，将抽象的理论教学形象化，能极大地促进学生对此课程的理解和掌握。1热工过程控制系统课程教学内容分析一般热工过程控制系统包含以下内容：简单控制系统（单回路控制系统）、串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统以及这些控制系统的实际应用等[6-9]。但全书内容概括起来可分为4个部分：（1）控制对象的动态特性——————————————————收稿日期：2013-10-02作者简介：王业萍（1979-），女，河北保定人，讲师.46

5、第26卷江西电力职业技术学院学报2Matlab仿真技术介绍再进行实验操作，执行图1中Simulation中的Start命令，得到响应曲线如图2所示。Matlab是一种面向工程和科学运算的交互式计算软件，现已被IEEE(电气与电了工程师协会)评为国际公认的最优秀科技应用软件[10-11]。其最重要的组件Simulink能提供动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，并专门为控制系统、电路等学科设计了仿真模块，如：1TransferFcn传递函数s+1图2被控对象阶跃响应曲线Step阶跃输入信号从图2明显看出两个对象在阶跃信号输入下的不同响应曲线，通过曲线对比，能够直观地

6、看出不同对象的特点。这个过程可让学生自己做，并要求学生分析响应结果得出结论。这样既锻炼了学生的动手能力，又培养了其独立思考能力。1Gain增益，Sum求和通过此仿真软件来模拟现场用到的器件和被控对象，从而解决热工过程控制系统教学内容需要现场实验的问题。3.2调节器规律分析对于比例积分微分调节器（PID），其传涵为：3Matlab的教学应用11WPID=δ(1+Ts+Tds)3.1被控对象动态特性的分析假定给定有自平衡的单容对象W1和多容对象分W01别为：i其中δ大小代表的是比例作用，其值减小，会使系统的响应速度加快，减小系统稳态误差，但如果过小会使系统产生振荡。Ti

7、代表的是积分作用，能消除静态偏差，其值增大，有利于减少超调和振荡，但要延长系统消除静态偏差的时间。Td代表的是微分作用，能获得超前的调节信号，改善系统的动态特性。只有比例作用调节器称为比例调节器（P），它的特点是控制作用无迟延、无惯性，但调节的结构存在静态偏差。既有比例作用又有微分作用的称为比例微分调节器（PD），它的特点是能获得超前的调节信号，改善系统的动态特性。既有比例作用又有积分作用的称为比例积分调节器（PI），它的特点是既有比例作用的即时快速，又因为有积分实现系统无静态偏差调节。比例积分微分调节器（PID）是在比例积分的作用上加入微分作用改善系统的动态特