1 引言

作为目前工业控制的主要技术之一,PID控制器得到了广泛的应用.在国内普通本科院校自动化、电气工程及其自动化专业,通常将“PID校正控制”作为自动控制原理课程教学的重点.同时,由于“PID校正控制”理论性强、内容抽象,学生掌握情况并不理想,又使其成为“自动控制原理”课程教学的难点.另外,根据学生课程设计论文与毕业设计论文,结合学生答辩时情况,笔者发现学生对PID控制规律并没有深入理解,只是局限于简单定性分析比例环节、积分环节、微分环节参数的改变对控制系统动态性能指标与稳态性能指标的影响,而且无法实现理论与实际的紧密联系,针对直流电机调速控制系统、电烤箱恒温控制系统、水池液位控制系统等实际系统,无法合理调整PID控制器参数.

追溯食品添加剂的历史根脉，远在6000余年前大汶口文化时期，当时酿酒用酵母中的转化酶（蔗糖酶）就是食品添加剂，是食品用酶制剂 。“卤水点豆腐中的卤水是氯化镁，做石膏豆腐要加硫酸钙，炸油条需加明矾，亚硝酸钠解决了火腿变腐的问题......氯化镁、硫酸钙、明矾、亚硝酸钠都属于食品添加剂。”近20年来，伴随现代食品业的发展，食品添加剂的影子更是变得随处可见，“可乐里加了着色剂、可乐香精、咖啡因、食用磷酸、二氧化碳，口香糖里加了食用香精、甜味剂、胶姆糖基础剂，冰激凌里加了食用色素、食用香精、增稠剂……”孙宝国开始列举起近年来中国百姓餐桌上以及口袋中的常备食物来。可以说，没有食品添加剂就没有现代食品。

为了提高“PID校正控制”课堂教学效果以及学生课程设计、毕业设计质量,在反思传统PID教学方法以及整合课程教学内容、教学目标的基础上,笔者设计了基于改进遗传算法的PID校正控制软件,结合探究式教学方法,将其应用于“PID校正控制”课堂教学中,为后续课程的教学以及课程设计、毕业设计奠定了良好的基础.

2 传统PID教学方法反思与课程教学内容、教学目标整合

目前国内很多高校如吉林大学、中国民航大学、德州学院等均建立了自动控制原理(实验)教学平台,用形象化的仿真演示代替板书与PPT课件,有效提高了学生主动学习的积极性与自动控制原理课堂(实验)教学质量[1-4],但同时存在以下不足之处：

(1)所设计的教学平台大多没有考虑不同课程教学内容、教学目标的整合以及自动控制原理课程不同知识点之间的联系；

笔者所设计的PID校正控制软件基于具备卓越数值计算能力与出色图形处理功能的MATLAB软件,形象直观,简洁高效.PID校正控制软件主界面如图2 (a)所示.主界面由6部分构成：建立被控对象传递函数模型部分、参数(仿真时间)设置部分、被控对象单位阶跃响应的动态性能指标(上升时间、峰值时间、调节时间、超调量)与稳态性能指标(稳态误差)显示部分、查看被控对象单位阶跃响应曲线部分、经验选取PID参数部分以及基于改进遗传算法的PID参数整定部分.

除了直观比较校正前后被控对象的单位阶跃响应动态性能指标与稳态性能指标数值外,还可点击查看校正前后被控对象单位阶跃响应曲线按钮,进入查看校正前后被控对象单位阶跃响应曲线界面,如图6所示.

首先在上课之前,采取布置作业的形式,要求学生通过查阅文献,掌握现实生活中一种常见控制系统的传递函数及其计算方法,明确传递函数系数与控制系统不同元件参数的对应关系,使所选取的传递函数具有实际的工程背景.

(1)深入理解PID控制规律；

(2)至少掌握一种实际控制系统常用的PID控制器参数工程整定方法.

3 PID校正控制软件

3.1 改进遗传算法典型函数测试

由于PID控制器参数整定属于低维优化问题,因此可引入区间算法.本软件所采用的改进遗传算法是将区间算法与粒子群算法分别引入基本遗传算法初始种群生成与变异操作中,同时在算法迭代过程中采取改进精英策略,以克服算法未成熟收敛现象,提高算法的收敛精度.为了验证笔者所编写算法程序的准确性,选取全局最小值均为0的典型函数De Jong函数F2与Schaffer函数F6对其进行测试,典型测试函数表达式如式(1)、(2)所示.在仿真实验环境、参数设置、电脑配置均相同的实验条件下,不同算法各运行100次,以获得具有统计意义的测试结果,如图1所示.

(1)

(2)

(a)De Jong函数F2 (b) Schaffer函数F6

图1 典型函数测试结果

其中算法1、2、3分别为基于区间算法的改进遗传算法、基于区间算法的改进粒子群算法以及本软件所采用的改进遗传算法.对于测试函数De Jong函数F2,算法1、2、3平均收敛值分别为9.5178×10-2、1.4010×10-4、1.0774×10-6；对于测试函数Schaffer函数F6,算法1、2、3平均收敛值分别为8.6379×10-3、5.2961×10-4、1.9511×10-4.结合图1可知,PID校正控制软件所采用的改进遗传算法程序准确,可有效提高算法收敛精度.

3.2 PID校正控制软件简介

(2)所提供的控制系统传递函数缺少实际工程背景的介绍；

输入被控对象传递函数分子、分母系数向量与纯延迟时间(默认为零),并输入仿真时间参数,点击确定按钮,便可建立被控对象传递函数模型并显示其单位阶跃响应的各项动态性能指标与稳态性能指标,如图2 (b)所示.点击查看被控对象单位阶跃响应曲线按钮,便可进入查看被控对象单位阶跃响应曲线界面,如图3所示.点击经验选取PID参数按钮,便可进入经验选取PID参数界面,如图4 (a)所示.点击基于改进遗传算法的PID参数整定按钮,便可进入基于改进遗传算法的PID参数整定界面,如图5 (a)所示.

工程技术人员进行自然边坡治理方案的技术交底，准备综合治理所需的材料，包括施工通道材料等相关的辅助材料，进行规模施工的风、水、电的准备，清撬工具以及开挖设备、支护设备和辅助机具。安排好清撬人员、安全监察人员、开挖人员、支护人员及辅助人员。

图2 基于改进遗传算法的PID校正控制软件主界面

图3 查看被控对象单位阶跃响应曲线界面

图4 经验选取PID参数界面

图5 基于改进遗传算法的PID参数整定界面

经验选取PID参数界面包含3部分：PID参数(比例系数、积分系数、微分系数)输入部分、被控对象单位阶跃响应各项动态性能指标(上升时间、峰值时间、调节时间、超调量)与稳态性能指标(稳态误差)显示部分以及查看校正前后被控对象单位阶跃响应曲线部分.输入经验选取的PID参数后,点击确定按钮,便可显示被控对象单位阶跃响应动态性能指标与稳态性能指标,如图4(b)所示.

基于改进遗传算法的PID参数整定界面由四部分构成：算法参数(种群数目、交叉概率、变异概率、学习因子、算法最大迭代次数、上升时间权值、峰值时间权值、调节时间权值、超调量权值以及稳态误差权值)输入部分、整定后PID参数(比例系数、积分系数、微分系数)显示部分、校正后被控对象的单位阶跃响应各项动态性能指标(上升时间、峰值时间、调节时间、超调量)与稳态性能指标(稳态误差)显示部分以及查看校正前后被控对象单位阶跃响应曲线部分.输入算法参数后,点击确定按钮,便可显示整定后PID参数与校正后被控对象的单位阶跃响应动态性能指标与稳态性能指标,如图5(b)所示.

图6 查看校正前后被控对象单位阶跃响应曲线界面

(3)理论与实际无法实现紧密联系,不利于PID控制器参数调整方法的教学.

3.3 PID校正控制软件具体应用

现针对整合后“PID校正控制”的教学内容与教学目标,结合探究式教学方法,详细描述PID校正控制软件在“PID校正控制”课堂教学中的应用.

然后在“PID校正控制”课堂教学中,授课教师任选一典型的实际控制系统(以直流电机调速控制系统为例)作为被控对象,向学生简单介绍其工作原理与传递函数建立过程,并在软件主界面输入对应参数,建立控制系统的传递函数模型.根据软件所显示的控制系统单位阶跃响应曲线以及动态性能指标、稳态性能指标,引导学生根据第一章所学关于对控制系统要求方面的知识,分析其不足之处,在此基础上,提出PID校正控制的具体要求.

利用国土云平台的优势为用户提供多层次、立体化、基于不同安全技术实现的网络安全纵深防御体系，其总体架构如下图6所示：

“PID校正控制”不仅是自动控制原理课程教学的重点与难点,同时也是计算机控制技术课程教学的重点与难点[5-6].另外,“PID校正控制”是我院自动化专业控制系统MATLAB仿真实验课程中唯一的设计性实验.根据上述情况,笔者整合了“PID校正控制”的教学内容与教学目标为：

相反，自媒体传播模式是向读者高度赋权，异化成了“流量拜物教”。一些自媒体不讲中立表达，去取悦、迎合粉丝，受众喜欢什么就投喂什么，利用人心理的阴暗面赚流量，各种阴谋论、夸张表达、标题党泛滥，换来的是节节攀升的转发和点击。这样又反向形成“信息茧房”，让相关受众沉溺于自己“喜欢”的被扭曲的信息脏水中。这个现象类似于当年美国历史上的“黄色新闻时代”，一味哗众取宠，不讲规矩，毫无廉耻。

进入经验选取PID参数界面,根据改进遗传算法所得的PID控制器参数“最优值”,按表1输入PID参数,由授课教师引导学生分别讨论比例环节、积分环节、微分环节、比例积分环节、比例微分环节对控制系统动态性能与稳态性能的影响,最后由授课教师归纳以下结论[7]：

进入基于改进遗传算法的PID参数整定界面,综合考虑动态性能指标与稳态性能指标,选取适应度函数,输入相关参数,利用改进遗传算法整定PID控制器参数,得到PID控制器参数的“最优值”,并进入查看校正前后被控对象单位阶跃响应曲线界面,结合被控对象单位阶跃响应曲线,明确PID校正控制的作用.然后分别增加快速性指标(上升时间、峰值时间、调节时间)与平稳性指标(超调量)的权值,比较不同优化结果对应的控制系统单位阶跃响应曲线,加深对第一章所学知识的理解：控制系统三大性能指标是相互制约的.

①增大比例系数,有利于降低控制系统稳态误差,但同时降低控制系统稳定性,很难同时满足静态与动态要求；

②积分控制可使控制系统消除稳态误差,提高无差度,但同时也会降低控制系统的稳定性,并使控制系统动态响应变慢,是通过牺牲控制系统的快速性而获得高的稳态性能；

③在微分时间常数选择合适的情况下,微分控制可有效降低控制系统超调量,减小控制系统调节时间,从而显著改善控制系统的动态性能.

表1 PID参数输入方式

序号比例系数积分系数微分系数1GKP0020GKI0300GKD4GKPGKI05GKP0GKD

其中GKP、GKI、GKD为改进遗传算法所得的PID控制器参数“最优值”.

在深入理解PID控制规律的基础上,要求学生课后思考,分别在什么情况下,采用比例环节、积分环节、微分环节、比例积分环节、比例微分环节以及比例微分积分环节.

目前PID参数整定方法主要包括理论计算整定与工程整定两种.在实际控制系统中,常用的PID参数工程整定方法包括：临界比例度法(控制系统的阶次要求在3阶及3阶以上)、试凑法、阶跃响应曲线法等.现根据整合后“PID校正控制”的教学内容与教学目标,以临界比例度法为例,描述PID校正控制软件在PID参数整定方法教学中的应用.

图7 确定临界比例度δ

首先建立3阶及3阶以上控制系统数学模型,然后进入经验选取PID参数界面,微分系数与积分系数输入0,不断增大比例系数,直至控制系统单位阶跃响应为等幅振荡,如图7所示,记录此时比例系数的数值.

所谓亲职教育，是指以不同形式的教育方案和活动，教育或提供学习资讯给为人父母者、未来将成为父母者与幼儿实际照顾者，以提升父母亲角色的责任和教养子女的能力，成为有效能的父母，满足子女的发展需求，培育身心健康的下一代。

气管切开第2天给予PS：8 cmH2O，PEEP：6 cmH2O，FiO2：0.4，3 min内患者出现浅快呼吸，辅助呼吸肌参与做功，终止脱机训练，立即接回呼吸机设置为原参数，间隔24小时后再进行锻炼。每天循序渐进，从最初的脱机3 min，逐渐到10 min、30 min、2 h。气管切开第5天给予T管加温加湿吸氧，保持FiO2不变；气管切开第10天给予T管接高流量加温加湿成功脱机24 h，此后未再给予呼吸机辅助呼吸。在气管切开第7天时，患者出现精神状态不佳，呼吸频率浅快，患者主诉疲惫，因此，脱机锻炼暂停1天，从第2天开始继续锻炼。

由图7可知,比例系数为30时,控制系统单位阶跃响应为等幅振荡,即临界比例度δ为1/30,鼠标点击相邻两个波峰,根据软件显示结果,计算可得临界振荡周期TK约为2.7963,在此基础上,根据表2便可整定PID控制器参数.

生物过滤介质必须保持适当的湿度，以利于微生物生存。在臭气进入布气管之前通过增湿器对臭气进行增湿以确保生物过滤介质有足够的湿度，运行过程中滤池下部积水，经排水泵排入污水处理系统。

表2 临界比例度法整定PID控制器参数

控制器类型比例度积分时间微分时间P2δ¥0PI2.2δ0.833TK0PID1.7δ0.50TK0.125TK

最后,授课教师任意选取学生提前准备的两种控制系统传递函数,重复上述步骤,加深学生对所学知识的理解与掌握,同时也对授课教师的教学水平提出更高要求.

4 结语

为了使学生深入理解PID控制规律,掌握PID控制器参数的调整方法,为后续课程的教学以及课程设计、毕业设计奠定良好的基础,在反思传统PID教学方法以及整合课程教学内容、教学目标的基础上,结合自己相关的科研成果,设计了基于改进遗传算法的PID校正控制软件,结合探究式教学方法,将其应用于“PID校正控制”课堂教学中,有效提高了学生学习兴趣与课堂教学质量,真正实现了科研反哺教学.

饲养试验结束后，每个组随机挑选体重与各组平均体重相近的育肥猪6头进行屠宰试验。屠宰前禁食24 h，自由饮水，宰前称活体重。经放血、烫毛和脱毛后，切除头、蹄、尾后开膛，去除内脏（保留板油和肾脏），称量胴体重，然后从尾根到颈部沿背中线垂直劈半，取左侧胴体，测定背膘厚、眼肌面积等胴体指标。胴体指标测量与计算方法依照NY/T 825—2004《瘦肉型猪胴体性状测定技术规范》。

参考文献:

[1] 千承辉,胡鹤,孙慧慧,等.基于PID算法的旋转倒立摆实验教学平台研究[J].实验室科学,2016,19(4):35-37.

[2] 贾云飞.“自动控制原理”课程综合教学平台[J].电气电子教学学报,2016,38(1):90-92.

[3] 费红姿,刘友,范立云,等.自动控制原理开放式ELVIS虚拟实验平台[J].实验室研究与探索,2013,32(9):116-119.

[4] 王春玲,张秀梅,李程,等.自动控制原理实验的GUI设计[J].德州学院学报,2015,31(4):32-36.

[5] 顾德英,罗云林,马淑华.计算机控制技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2012.

[6] 余雷,张茂青,费树岷.“计算机控制技术”课程PID控制部分的教学[J].电气电子教学学报,2014,34(2):104-106.

[7] 刘丁.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,2007.