PID調節規律的教學探討

蔣開明+楊小峰+李琳琳+黃洪全

摘要：在《計算機控制技術》課程中，PID調節規律難學難懂。本文通過對教學、實驗環節分析，討論了如何提高PID教學質量的針對性的方案和建議，通過對教學聯動、MATLAB在PID教學中的應用，來促進學生對PID規律的認識和深化，提高課程的教學質量。

關鍵詞：計算機控制技術；PID；教學聯動；MATLAB

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0193-02

《計算機控制技術》課程是電氣工程及其自動化專業非常重要的專業課之一[1]，其中有關PID的內容占據相當多的篇幅，同時PID規律在控制系統中的地位不可撼動。在計算機控制系統的設計中，PID規律屬于控制策略，與硬件、軟件設計處于同等地位，三者缺一不可。學生以前對此接觸較少，課程也只能從理論上予以推導，即便在課程中反復強調和演算，學生也不明就理，普遍反映PID內容比較難學[2]。也有部分同學反映感覺思想有認識，但不明白怎么去使用，具體表現在要求學生設計實現閉環控制系統，即把PID規律與控制系統相結合的時候，部分同學卻選擇性遺忘PID規律。最終影響到學生的學習積極性和主動性。

一、教學內容現狀

《計算機控制技術》在理論教學安排中，PID算法有4學時，從理論學習的角度沒有問題。那么是什么原因造成的結果？通過我們的調查和分析，認為有如下方面的原因。

1.對閉環控制系統的認識不足。在計算機閉環控制系統中，如何實現系統的快速性、穩定性、準確性，使之滿足設計要求。部分同學關注的重點放在硬件本身的快速性和硬件連接的完整性上，比如芯片的運算速度、采樣速度和接口地址等，卻忽略了重要的調節速度和要求，反映出學生對PID控制規律認識仍然比較薄弱。

2.對PID控制本身的認識欠缺。在計算機控制系統中，PID規律是以離散化的數學模型，通過編制程序在控制系統中實現的。PID控制中P調節反映比例控制系統的響應快速性，快速作用于輸出；I調節反映積分控制系統的準確性，消除過去的累積誤差；D調節反映微分控制系統的穩定性。學生在面對PID具體對象時怎么實現P、I、D協調工作，沒有直觀的印象和概念。

二、教學探討

針對以上在學生在學習PID中出現的問題，我們組織相關教師進行探討，按照現有的條件和教學要求。提出了如下的教改方案：（1）實行相關教學內容的聯動機制；（2）增加MATLAB在PID教學中的比重。

1.PID調節規律的教學聯動。在電氣工程及其自動化專業涉及PID內容的有三門課程，《自動控制原理》、《計算機過程控制》、《計算機控制技術》，我們結合各自課程的特點[3]，強調在學習PID時要解決如下問題：①PID調節在控制系統中不要行不行，從根源上讓學生重視；②結合各自課程的特點，在實驗環節把PID調節規律作為必做實驗之一。如圖1所示為計算機過程控制實驗中，串級控制實驗中PID的調節曲線。

2.MATLAB在PID教學中的應用。MATLAB在所涉課程中都可以讓學生深入學習，我們按照教學要求，把MATLAB在《計算機控制技術》中逐漸引入[4，5]，為了讓學生熟練掌握和理解PID控制規律。我們在設計了如圖2的實驗運行人機界面。畫面左邊為學生自己可以調整控制對象的模型、也可以調節P、I、D各自的參數，研究在單位階躍作用下的控制效果，右下部為典型PID作用分析功能鍵，右上部為輸出結果。圖2輸出曲線為控制對象的傳遞函數為G（s）=，選擇P=12，I=0.2，D=0.1的作用效果[5]。

在典型作用環節，共有P調節、PI調節、PD調節、PID調節功能按鍵，圖3為控制對象的傳遞函數為G（s）=，單位階躍作用下，典型的PID調節曲線。

對于圖3的PID調節，系統偏差比PD調節稍差，但由于積分作用，使得系統沒有了余差同時系統的振蕩周期變長了。綜合來看，PID同時作用的時候控制效果最佳。

三、結語

文針對學生在學習《計算機控制技術》中PID控制規律在設計、教學中出現的問題，提出了相關的解決方法和措施。實踐證明，學生形成了一種不自覺的反應，只要有閉環系統就有PID。得益于課堂的PID控制理論分析與各門課程的教學聯動，以及Matlab驗證PID控制律的實驗教學環節，使得學生能夠更加深入地理解PID控制規律。

參考文獻：

[1]范立南.計算機控制技術[M].機械工業出版社，2009.

[2]余雷，張茂青，費樹岷.“計算機控制技術”課程PID控制部分的教學[J].電氣電子教學學報，2012，34（2）：104-106.

[3]程艷云.“計算機控制系統”課程建設探索[J].中國電力教育，2013，（32）：103-104.

[4]蘇旭武，張錚，張道德，等.MATLAB軟件在“計算機控制系統”CAI課件中的應用[J].南京：電氣電子教學學報，2005，27（3）：100-102.

[5]張志涌.精通Matlab R2011a[M].北京航空航天大學出版社，2011.