□孙群丽



基于MATLAB的“热工控制系统”教学研究

□孙群丽

【摘要】“热工控制系统”自动控制理论在电厂中的应用，不仅要求学生掌握基础的控制知识，还要求学生知道其在实际的电厂运行中的体现。针对这一要求，在课程教学中利用MATLAB使二者有机结合，教学实践证明该方法不但能提高学生控制系统的设计能力，而且能激发他们的学习热情。

【关键词】MATLAB；热工控制系统；教学实践

“热工控制系统”这门课程的授课对象是热能与动力工程专业大四学生，他们之前已经学习“锅炉原理”“汽轮机原理”“泵与风机”等专业课，所以能够理解本门课程中所涉及的专业知识。如果把前期的设备课程比喻为电厂的骨架的话，那么本课程相当于是电厂的神经系统，对整个电厂的安全、经济运行有重要的作用。然而，学生对控制系统相关知识的掌握仅停留在理论层面，没有充分的时间去了解和尝试控制系统的设计和实现，以至于在后续的课程学习中，对自动控制理论在电厂中的应用缺乏感性认知，接受缓慢。鉴于此，我们在课堂教学中利用MATLAB模拟现场的实际环节，让学生感受到理论与实践的结合。

一、MATLAB的介绍

MATLAB软件是美国Mathworks公司开发的、面向科学与工程计算软件，集成了大型数学与系统分析，已在应用数学、自动控制、电力电子通信等工程领域得到广泛的运用。本次教学方法改革主要是利用其中的SIMULINK部分，它是以工具库的形式挂靠在MATLAB上的，支持连续系统、离散系统、非线性系统的建模仿真，提供阶跃响应信号step、脉冲响应信号implus等命令，而且可以通过scope模块来查看系统的时域响应曲线，进而来分析时域性能指标。

图1　汽包锅炉水位控制

二、MATLAB在　“热工控制系统”教学中的运用实例

自动控制系统的分类，有反馈、前馈、反馈-前馈控制，如果仅仅通过方框图来描述各自的结构特点和控制效果，对于刚刚接触控制理论的学生来说会显得很空洞。鉴于此，我们利用MATLAB来模拟实际电厂的运行控制，选取汽包锅炉水位调节作为反馈、前馈、反馈—前馈的实例，这样能使课堂讲授与实际运用结合在一起。

典型输入信号与控制系统的性能指标，对于讲课中涉及的阶跃、斜坡、脉冲、正弦信号这些内容，学生在以前的课程中也学习过，对这块知识有大体的了解，所以在课堂讲述中不用占大量时间，要把时间用在这些信号与实际系统的结合上。如要想知道汽包水位变化的动态特性，动态特性只有当对象处于变动过程中才会体现出来，在稳定状态下是表现不出来的，所以要施加一个阶跃信号或者脉冲信号；当锅炉处于滑压运行方式时，对主蒸汽压力的模拟可以采用斜坡信号。同时，这些都可以借助MATLAB来进行演示。

控制系统的调节过程和性能指标教材讲述得很清楚，对于这部分内容很多学生会眼高手低，第一印象是简单，但是在进行课程试验时给他们一个系统，让他们再进行调节，却不知道最终的目的是什么。为了改变这种局面，在讲授这部分内容时，我们仍然用前面的单回路汽包水位调节为例，在MATLAB上通过调整控制器参数来显示不同的调节过程和性能，直观地向学生展示这些知识。

控制系统的基本环节有比例、惯性、积分、微分等环节，教材介绍了在输入为单位阶跃信号时各个环节的输出曲线。但是仅仅通过机组曲线，学生对一些复杂环节还是如雾里看花，抓不住其本质。为了加深学生的认识，除了介绍其基本输入、输出关系外，还在MATLAB中通过不断改变各个环节的参数，让学生体验到该环节的特点。如惯性环节:

其输入、输出响应曲线如下图所示:

图2　惯性环节特性

其中r0为阶跃信号的幅值，环节的主要特征参数为K 和T，为了弄清楚K和T对环节性能的影响，利用MATLAB搭建一个惯性环节如图3所示，在保证输入不变的情况下，通过不同的K和T值所反映的不同输出的y（t）对比来加深学生对此环节特点的理解，同样的方法可以用在其他的环节上面。

图3　k=1 T=1惯性环节

图4　k=1 T=1惯性环节响应

图5　k=1 T=10惯性环节

图6　k=1 T=10惯性环节响应

从教材讲解中知道，由1变为0.1实际上是改变了系统的时间常数，由图4、图6明显的对比可以让学生很容易知道时间常数越小，则系统达到稳态所需要的时间越短。

控制系统的时域分析是在时间域内对系统的动态性能和稳态性能进行直观评价的一种方法，教材中分别对一阶和二阶系统的模型进行了时域分析，为了加深学生的印象，在MATLAB中通过SIMULINK来模拟一阶、二阶系统在不同参数下的响应过程，以二阶系统为例，环节为对象的特性，环节为控制器:

图7　ξ=二阶系统

系统在阶跃信号下的输出曲线为:

图8　ξ=二阶系统的响应

在对象不变的情况下，改变控制器的参数:

图9　ξ=二阶系统

图10　ξ=二阶系统响应

图8、图10截然不同，虽然二者最终都会达到稳定，但是在动态特性上图10显然要比图8快。改变控制器参数实际上是改变了系统的阻尼比，它对二阶系统的性能有很大的影响。

单回路控制系统分析及其参数整定，在以往的教学过程中，学生根据教材的内容能够掌握这部分知识点，但是有少数学生会提出这样的问题:对于一个惯性环节，在给定的阶跃输入下其输出能够达到稳定，这样的系统是不是就不需要控制器?针对这个问题我们在MATLAB中进行解释。

图12　带控制器的惯性环节的响应

仅从系统的快速性方面讨论对比图4和图12，可以看出加上控制器后，系统能够快速达到稳定。控制器对系统其他方面的影响也可以通过实例一一展示出来。

在“热工控制系统”教学中使用MATLAB软件，吸引了学生的课堂注意力，让他们感受到学以致用的乐趣。同时，仿真结果的实时展示让学生更加确信书本上看似枯燥无用的理论计算和推导，对于教师来说可以使原来很抽象的内容清楚地展示出来，提高了学生的积极性，有效地改善了学习效果。

参考文献：

[1]谷俊杰,李建强,高大明.热工控制系统[M].北京:中国电力出版社,2011.

[2]李健康.基于MATLAB的过程控制实验平台设计[M]:太原科技大学,2012.

[3]王正林,王胜开.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京:电子工业出版社,2005.

[4]于希宁,刘红军.自动控制原理[M].北京:中国电力出版社,2001.

（编辑：秦俊嫄）

【基金项目】本文系华北电力大学科技学院教改项目（编号：104045）的研究成果。

中图分类号：G642.4

文献标识码：A

文章编号：1671-0568（2016）11-0063-03

作者简介：孙群丽，硕士，华北电力大学科技学院讲师。研究方向：电厂优化运行。