基于MATLAB的“熱工控制系統”教學研究

□孫群麗

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基于MATLAB的“熱工控制系統”教學研究

□孫群麗

【摘要】“熱工控制系統”自動控制理論在電廠中的應用，不僅要求學生掌握基礎的控制知識，還要求學生知道其在實際的電廠運行中的體現。針對這一要求，在課程教學中利用MATLAB使二者有機結合，教學實踐證明該方法不但能提高學生控制系統的設計能力，而且能激發他們的學習熱情。

【關鍵詞】MATLAB；熱工控制系統；教學實踐

“熱工控制系統”這門課程的授課對象是熱能與動力工程專業大四學生，他們之前已經學習“鍋爐原理”“汽輪機原理”“泵與風機”等專業課，所以能夠理解本門課程中所涉及的專業知識。如果把前期的設備課程比喻為電廠的骨架的話，那么本課程相當于是電廠的神經系統，對整個電廠的安全、經濟運行有重要的作用。然而，學生對控制系統相關知識的掌握僅停留在理論層面，沒有充分的時間去了解和嘗試控制系統的設計和實現，以至于在后續的課程學習中，對自動控制理論在電廠中的應用缺乏感性認知，接受緩慢。鑒于此，我們在課堂教學中利用MATLAB模擬現場的實際環節，讓學生感受到理論與實踐的結合。

一、MATLAB的介紹

MATLAB軟件是美國Mathworks公司開發的、面向科學與工程計算軟件，集成了大型數學與系統分析，已在應用數學、自動控制、電力電子通信等工程領域得到廣泛的運用。本次教學方法改革主要是利用其中的SIMULINK部分，它是以工具庫的形式掛靠在MATLAB上的，支持連續系統、離散系統、非線性系統的建模仿真，提供階躍響應信號step、脈沖響應信號implus等命令，而且可以通過scope模塊來查看系統的時域響應曲線，進而來分析時域性能指標。

圖1　汽包鍋爐水位控制

二、MATLAB在　“熱工控制系統”教學中的運用實例

自動控制系統的分類，有反饋、前饋、反饋-前饋控制，如果僅僅通過方框圖來描述各自的結構特點和控制效果，對于剛剛接觸控制理論的學生來說會顯得很空洞。鑒于此，我們利用MATLAB來模擬實際電廠的運行控制，選取汽包鍋爐水位調節作為反饋、前饋、反饋—前饋的實例，這樣能使課堂講授與實際運用結合在一起。

典型輸入信號與控制系統的性能指標，對于講課中涉及的階躍、斜坡、脈沖、正弦信號這些內容，學生在以前的課程中也學習過，對這塊知識有大體的了解，所以在課堂講述中不用占大量時間，要把時間用在這些信號與實際系統的結合上。如要想知道汽包水位變化的動態特性，動態特性只有當對象處于變動過程中才會體現出來，在穩定狀態下是表現不出來的，所以要施加一個階躍信號或者脈沖信號；當鍋爐處于滑壓運行方式時，對主蒸汽壓力的模擬可以采用斜坡信號。同時，這些都可以借助MATLAB來進行演示。

控制系統的調節過程和性能指標教材講述得很清楚，對于這部分內容很多學生會眼高手低，第一印象是簡單，但是在進行課程試驗時給他們一個系統，讓他們再進行調節，卻不知道最終的目的是什么。為了改變這種局面，在講授這部分內容時，我們仍然用前面的單回路汽包水位調節為例，在MATLAB上通過調整控制器參數來顯示不同的調節過程和性能，直觀地向學生展示這些知識。

控制系統的基本環節有比例、慣性、積分、微分等環節，教材介紹了在輸入為單位階躍信號時各個環節的輸出曲線。但是僅僅通過機組曲線，學生對一些復雜環節還是如霧里看花，抓不住其本質。為了加深學生的認識，除了介紹其基本輸入、輸出關系外，還在MATLAB中通過不斷改變各個環節的參數，讓學生體驗到該環節的特點。如慣性環節:

其輸入、輸出響應曲線如下圖所示:

圖2　慣性環節特性

其中r0為階躍信號的幅值，環節的主要特征參數為K 和T，為了弄清楚K和T對環節性能的影響，利用MATLAB搭建一個慣性環節如圖3所示，在保證輸入不變的情況下，通過不同的K和T值所反映的不同輸出的y（t）對比來加深學生對此環節特點的理解，同樣的方法可以用在其他的環節上面。

圖3　k=1 T=1慣性環節

圖4　k=1 T=1慣性環節響應

圖5　k=1 T=10慣性環節

圖6　k=1 T=10慣性環節響應

從教材講解中知道，由1變為0.1實際上是改變了系統的時間常數，由圖4、圖6明顯的對比可以讓學生很容易知道時間常數越小，則系統達到穩態所需要的時間越短。

控制系統的時域分析是在時間域內對系統的動態性能和穩態性能進行直觀評價的一種方法，教材中分別對一階和二階系統的模型進行了時域分析，為了加深學生的印象，在MATLAB中通過SIMULINK來模擬一階、二階系統在不同參數下的響應過程，以二階系統為例，環節為對象的特性，環節為控制器:

圖7　ξ=二階系統

系統在階躍信號下的輸出曲線為:

圖8　ξ=二階系統的響應

在對象不變的情況下，改變控制器的參數:

圖9　ξ=二階系統

圖10　ξ=二階系統響應

圖8、圖10截然不同，雖然二者最終都會達到穩定，但是在動態特性上圖10顯然要比圖8快。改變控制器參數實際上是改變了系統的阻尼比，它對二階系統的性能有很大的影響。

單回路控制系統分析及其參數整定，在以往的教學過程中，學生根據教材的內容能夠掌握這部分知識點，但是有少數學生會提出這樣的問題:對于一個慣性環節，在給定的階躍輸入下其輸出能夠達到穩定，這樣的系統是不是就不需要控制器?針對這個問題我們在MATLAB中進行解釋。

圖12　帶控制器的慣性環節的響應

僅從系統的快速性方面討論對比圖4和圖12，可以看出加上控制器后，系統能夠快速達到穩定?？刂破鲗ο到y其他方面的影響也可以通過實例一一展示出來。

在“熱工控制系統”教學中使用MATLAB軟件，吸引了學生的課堂注意力，讓他們感受到學以致用的樂趣。同時，仿真結果的實時展示讓學生更加確信書本上看似枯燥無用的理論計算和推導，對于教師來說可以使原來很抽象的內容清楚地展示出來，提高了學生的積極性，有效地改善了學習效果。

參考文獻：

[1]谷俊杰,李建強,高大明.熱工控制系統[M].北京:中國電力出版社,2011.

[2]李健康.基于MATLAB的過程控制實驗平臺設計[M]:太原科技大學,2012.

[3]王正林,王勝開.MATLAB/Simulink與控制系統仿真[M].北京:電子工業出版社,2005.

[4]于希寧,劉紅軍.自動控制原理[M].北京:中國電力出版社,2001.

（編輯：秦俊嫄）

【基金項目】本文系華北電力大學科技學院教改項目（編號：104045）的研究成果。

中圖分類號：G642.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0568（2016）11-0063-03

作者簡介：孫群麗，碩士，華北電力大學科技學院講師。研究方向：電廠優化運行。