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摘要：本文主要介绍在过程控制课程中，利用仿真软件MATLAB/ Simulink演示重要知识点并促进教学的方法。主要以PID控制作用的特点为例，说明仿真演示的方法和效果。具体给出了单回路PID控制系统的仿真模型，在不同参数条件下，对PID控制质量进行比较的仿真演示方法、步骤和相关程序，得出直观形象的仿真结果。仿真演示有助于学生深刻领会和理解课程内容，并能提高学生的学习兴趣。
关键词：过程控制；MATLAB仿真；PID控制
一、引言
《过程控制》作为自动化专业的一门重要课程，主要介绍以参数控制为重点的各种类型的过程控制系统。课程内容中一些理论推导部分和自控原理联系紧密，其推导过程与证明比较繁琐，学生感觉不好理解。在过程控制课程的实践操作方面，也需要对理论知识活学活用，熟练掌握PID参数整定的方法和步骤。这些因素对学生来说，都是不小的挑战。
二、MATLAB仿真演示对促进教学的作用和意义
为了教学质量的进一步提高，可以考虑将MATLAB仿真演示引入课堂，以计算机仿真辅助教学，借助直观的仿真演示， 将抽象的理论结果变成简明的现象展示，将复杂的PID参数整定操作步骤一步一步地清晰展现出来，相当于将实验室的实验效果搬进课堂，使理论知识和实验现象更好的融合，有助于激发学生的学习兴趣，使学生深刻领会和理解课程内容，从而显著提高教学质量。同时，也有助于自动控制类专业课程的互相融合，有助于教师探索更有效、更易于学生接受的教学方法和内容。
三、仿真演示在课堂教学的实施
仿真软件MATLAB/Simulink作为当今主流的仿真工具，在许多行业中都有广泛的应用，特别是利用其中的动态系统仿真工具Simulink，可以轻松完成自动控制领域的仿真和设计工作，对科研和教学都有很大的帮助。
1、仿真演示的三种形式：
针对一些计算和绘图问题，可以利用MATLAB中的M语言编制仿真程序，以m文件的形式存在，在课堂教学时方便的调用文件并执行，显示仿真结果或图形。
针对各种类型的过程控制系统和PID参数整定问题，可以利用Simulink建造相应的仿真模型，按照参数整定方法逐步修改PID参数，比较控制效果，直到找出满意的参数，完成整定工作。由于所建的仿真模型是由各种标准模块按控制系统的结构组合而成，整体直观形象，所以这种演示清晰易懂，有利于分步展现一些复杂的操作步骤。
更普遍的情况，是根据课件内容的需要，提前做好针对相关知识点的仿真，或者采用M语言编制仿真程序，或者采用Simulink构造模型仿真，得出仿真结果后，将仿真结果图复制粘贴到课件中，用于上课时的演示。这种将仿真结果融入课件内容的演示更加自然，而且节省上课时间，效率很高。
上述三种形式的仿真演示，都能使抽象的知识点和结论变得具体易懂，有利于加深学生对理论知识的认识和理解， 能较大幅度的改善课堂教学的效率和质量。
2、仿真演示应用举例——以PID控制效果的比较为例
PID控制作为应用非常广泛的常规控制规律，具有原理简单、适应性强、鲁棒性强、使用方便等特点。只有深入理解各种控制规律的控制特点，才能正确选用合适的PID控制规律，进而在参数整定环节，根据被控参数的响应曲线来灵活调整确定各个PID参数。因此，PID控制效果的比较是在教学中需要重点突出的知识点。
对于单独的比例控制作用，不能完全消除余差；比例控制作用越强，余差越小，但超调量越大。這样的比例控制的两个特点是需要在教学过程中讲授的，但是，对于学生来说，强行记忆的效果并不好，此时，利用仿真演示，让学生看到直观的结果并进行比较，就能印象深刻，取得更好的学习效果。
运行MATLAB软件后，启动Simulink，新建一个空白模型窗口，然后构造一个单回路系统的仿真模型，如图1所示。模型中PID Controller模块表示PID调节器，模块里有三个可设置参数kp、ki、kd，具体设置为kp=kp、ki= 0、kd=0，即取消积分和微分作用，只保留比例作用，比例系数kp可以在命令窗口中进行不同的赋值。系统中的对象用Zero-Pole零-极点函数模块表示，当然也可以用常见的传递函数模块表示。Step模块的参数设置为1，表示给定值为1。系统的输出部分有Scope示波器模块和Out1输出接口模块，示波器模块可以方便快速地观察仿真结果，而输出接口模块可以把仿真结果传送到MATLAB的工作空间，再利用绘图函数plot （ t ， y ） 绘制出清晰的仿真结果图，这样有利于仿真结果的比较和保存。
这个单回路系统的仿真模型建好后，命名为kp.mdl，并保存在MATLAB文件夹下的work子文件夹中。
为了得出kp在不同数值下的仿真结果，并集中在一起比较研究，可以在MATLAB命令窗口中，先对kp进行赋值，再用sim函数的命令行方式运行仿真，然后用plot （ t ， y ） 绘图函数绘制仿真结果，gtext函数的作用是利用鼠标点击在图中添加文本标注，hold on 语句维持当前的图形，并允许继续添加仿真结果，这样可以将多个仿真结果放在一起比较研究。命令窗口中的具体程序如下：
kp=2； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y）
gtext（'kp=2'） hold on
kp=3； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y）
gtext（'kp=3'） hold on
kp=4； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y）
gtext（'kp=4'） hold on
kp=5； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y） gtext（'kp=5'） hold on
图2中，四条仿真曲线是从kp=2的曲线开始，一条一条地按顺序显示在图形上的。仿真模型中设置的给定值为1，如果控制过程结束后，响应曲线能稳定在1附近，说明消除了余差。但实际上，观察这四条仿真曲线，被控参数的稳态值介于0.6到0.85之间，总还有余差存在，这说明纯比例控制作用，不能完全消除余差。再观察仿真曲线的波形和振荡情况，可以发现这样的规律：比例系数越大，即比例控制作用越强，则余差越小，但振荡越剧烈，超调量越大。
再研究积分作用的特点，只需要针对图1模型中的PID模块，重新合理设置kp、ki、kd的参数，按前述方法运行仿真，就可以得出相应的仿真结果。在PID模块内，具体令kp=3、ki= ki、kd=0，即保留比例和积分作用，取消微分作用。比例系数确定为3，积分系数ki等待赋值。下面给出当ki分别为0.2、0.5、1这三种情况时的仿真结果曲线，如图3所示。从仿真结果可以看出：在比例控制的基础上添加适当的积分控制作用，形成的比例积分控制规律可以消除余差；积分系数越大，则积分控制作用越强，振蕩幅度就越大，超调量越大。
将PID模块内的参数设置为kp=3、ki= 0、kd=kd，同样可以按照上述方法研究微分作用的特点及其仿真，这里不再详述。
以图1的单回路系统的仿真模型为基础，还可以进行PID参数整定的仿真演示。按照参数整定的步骤，在PID控制器模块内修改具体PID参数，运行仿真后，分步展现仿真结果，使学生对操作步骤和仿真现象都能看得清楚明白。根据仿真结果再适当调整PID参数，能让学生看到不同的PID参数作用下，对应的不同控制质量的仿真曲线，经过试探、比较后，找到总体控制质量较高的仿真曲线，由此定下一组PID参数作为最终整定结果。
四、总结
将MATLAB仿真演示应用于过程控制课堂教学后，利用仿真演示和仿真结果的直观比较，可以引导学生发现和总结课程中的重点知识点，提高学习兴趣。学生们普遍认为仿真演示结果更有说服力，更容易接受，能使一些不好理解的知识点变得直观具体，从而加深认识和理解，提高了课堂教学的效率和质量。
参考文献：
[1]邵裕森，戴先中. 过程控制工程[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[2]李国勇，程永强. 计算机仿真技术与CAD [M]. 北京：电子工业出版社，2012.
[3]王正林，郭阳宽. 过程控制与SIMULINK应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006.
关键词：过程控制；MATLAB仿真；PID控制
一、引言
《过程控制》作为自动化专业的一门重要课程，主要介绍以参数控制为重点的各种类型的过程控制系统。课程内容中一些理论推导部分和自控原理联系紧密，其推导过程与证明比较繁琐，学生感觉不好理解。在过程控制课程的实践操作方面，也需要对理论知识活学活用，熟练掌握PID参数整定的方法和步骤。这些因素对学生来说，都是不小的挑战。
二、MATLAB仿真演示对促进教学的作用和意义
为了教学质量的进一步提高，可以考虑将MATLAB仿真演示引入课堂，以计算机仿真辅助教学，借助直观的仿真演示， 将抽象的理论结果变成简明的现象展示，将复杂的PID参数整定操作步骤一步一步地清晰展现出来，相当于将实验室的实验效果搬进课堂，使理论知识和实验现象更好的融合，有助于激发学生的学习兴趣，使学生深刻领会和理解课程内容，从而显著提高教学质量。同时，也有助于自动控制类专业课程的互相融合，有助于教师探索更有效、更易于学生接受的教学方法和内容。
三、仿真演示在课堂教学的实施
仿真软件MATLAB/Simulink作为当今主流的仿真工具，在许多行业中都有广泛的应用，特别是利用其中的动态系统仿真工具Simulink，可以轻松完成自动控制领域的仿真和设计工作，对科研和教学都有很大的帮助。
1、仿真演示的三种形式：
针对一些计算和绘图问题，可以利用MATLAB中的M语言编制仿真程序，以m文件的形式存在，在课堂教学时方便的调用文件并执行，显示仿真结果或图形。
针对各种类型的过程控制系统和PID参数整定问题，可以利用Simulink建造相应的仿真模型，按照参数整定方法逐步修改PID参数，比较控制效果，直到找出满意的参数，完成整定工作。由于所建的仿真模型是由各种标准模块按控制系统的结构组合而成，整体直观形象，所以这种演示清晰易懂，有利于分步展现一些复杂的操作步骤。
更普遍的情况，是根据课件内容的需要，提前做好针对相关知识点的仿真，或者采用M语言编制仿真程序，或者采用Simulink构造模型仿真，得出仿真结果后，将仿真结果图复制粘贴到课件中，用于上课时的演示。这种将仿真结果融入课件内容的演示更加自然，而且节省上课时间，效率很高。
上述三种形式的仿真演示，都能使抽象的知识点和结论变得具体易懂，有利于加深学生对理论知识的认识和理解， 能较大幅度的改善课堂教学的效率和质量。
2、仿真演示应用举例——以PID控制效果的比较为例
PID控制作为应用非常广泛的常规控制规律，具有原理简单、适应性强、鲁棒性强、使用方便等特点。只有深入理解各种控制规律的控制特点，才能正确选用合适的PID控制规律，进而在参数整定环节，根据被控参数的响应曲线来灵活调整确定各个PID参数。因此，PID控制效果的比较是在教学中需要重点突出的知识点。
对于单独的比例控制作用，不能完全消除余差；比例控制作用越强，余差越小，但超调量越大。這样的比例控制的两个特点是需要在教学过程中讲授的，但是，对于学生来说，强行记忆的效果并不好，此时，利用仿真演示，让学生看到直观的结果并进行比较，就能印象深刻，取得更好的学习效果。
运行MATLAB软件后，启动Simulink，新建一个空白模型窗口，然后构造一个单回路系统的仿真模型，如图1所示。模型中PID Controller模块表示PID调节器，模块里有三个可设置参数kp、ki、kd，具体设置为kp=kp、ki= 0、kd=0，即取消积分和微分作用，只保留比例作用，比例系数kp可以在命令窗口中进行不同的赋值。系统中的对象用Zero-Pole零-极点函数模块表示，当然也可以用常见的传递函数模块表示。Step模块的参数设置为1，表示给定值为1。系统的输出部分有Scope示波器模块和Out1输出接口模块，示波器模块可以方便快速地观察仿真结果，而输出接口模块可以把仿真结果传送到MATLAB的工作空间，再利用绘图函数plot （ t ， y ） 绘制出清晰的仿真结果图，这样有利于仿真结果的比较和保存。
这个单回路系统的仿真模型建好后，命名为kp.mdl，并保存在MATLAB文件夹下的work子文件夹中。
为了得出kp在不同数值下的仿真结果，并集中在一起比较研究，可以在MATLAB命令窗口中，先对kp进行赋值，再用sim函数的命令行方式运行仿真，然后用plot （ t ， y ） 绘图函数绘制仿真结果，gtext函数的作用是利用鼠标点击在图中添加文本标注，hold on 语句维持当前的图形，并允许继续添加仿真结果，这样可以将多个仿真结果放在一起比较研究。命令窗口中的具体程序如下：
kp=2； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y）
gtext（'kp=2'） hold on
kp=3； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y）
gtext（'kp=3'） hold on
kp=4； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y）
gtext（'kp=4'） hold on
kp=5； [t，x，y]=sim（'kp'，70）； plot（t，y） gtext（'kp=5'） hold on
图2中，四条仿真曲线是从kp=2的曲线开始，一条一条地按顺序显示在图形上的。仿真模型中设置的给定值为1，如果控制过程结束后，响应曲线能稳定在1附近，说明消除了余差。但实际上，观察这四条仿真曲线，被控参数的稳态值介于0.6到0.85之间，总还有余差存在，这说明纯比例控制作用，不能完全消除余差。再观察仿真曲线的波形和振荡情况，可以发现这样的规律：比例系数越大，即比例控制作用越强，则余差越小，但振荡越剧烈，超调量越大。
再研究积分作用的特点，只需要针对图1模型中的PID模块，重新合理设置kp、ki、kd的参数，按前述方法运行仿真，就可以得出相应的仿真结果。在PID模块内，具体令kp=3、ki= ki、kd=0，即保留比例和积分作用，取消微分作用。比例系数确定为3，积分系数ki等待赋值。下面给出当ki分别为0.2、0.5、1这三种情况时的仿真结果曲线，如图3所示。从仿真结果可以看出：在比例控制的基础上添加适当的积分控制作用，形成的比例积分控制规律可以消除余差；积分系数越大，则积分控制作用越强，振蕩幅度就越大，超调量越大。
将PID模块内的参数设置为kp=3、ki= 0、kd=kd，同样可以按照上述方法研究微分作用的特点及其仿真，这里不再详述。
以图1的单回路系统的仿真模型为基础，还可以进行PID参数整定的仿真演示。按照参数整定的步骤，在PID控制器模块内修改具体PID参数，运行仿真后，分步展现仿真结果，使学生对操作步骤和仿真现象都能看得清楚明白。根据仿真结果再适当调整PID参数，能让学生看到不同的PID参数作用下，对应的不同控制质量的仿真曲线，经过试探、比较后，找到总体控制质量较高的仿真曲线，由此定下一组PID参数作为最终整定结果。
四、总结
将MATLAB仿真演示应用于过程控制课堂教学后，利用仿真演示和仿真结果的直观比较，可以引导学生发现和总结课程中的重点知识点，提高学习兴趣。学生们普遍认为仿真演示结果更有说服力，更容易接受，能使一些不好理解的知识点变得直观具体，从而加深认识和理解，提高了课堂教学的效率和质量。
参考文献：
[1]邵裕森，戴先中. 过程控制工程[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[2]李国勇，程永强. 计算机仿真技术与CAD [M]. 北京：电子工业出版社，2012.
[3]王正林，郭阳宽. 过程控制与SIMULINK应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006.