在过去，控制工程是拥有高级学位和多年低级编程语言经验的计算机和电气工程师的专属领域。如今，工程师和学生都可以使用基于模型的设计来快速设计和实现实时控制系统，而无需学习低级编程。在整个汽车和航空航天行业中，基于模型的设计将高级系统模型置于开发中心。这种方法不仅可以帮助工科学生理解系统组件的基本物理，还可以帮助他们理解组件之间的相互作用以及整个系统的行为。
基于模型的Simulink设计万博1manbetx®和Sim万博1manbetxulink桌面实时™ 改变了我们在加州理工州立大学圣路易斯奥比斯波分校教授机械控制的方式。在里面me422 -机械控制，是机械工程系所有高年级学生都需要的控制理论的快节奏入门，学生使用MATLAB®Simu万博1manbetxlink处理实验室数据，建模和模拟开环和闭环系统。因为他们在本科学习中一直使用MATLAB环境，所以他们在课程实验室中取得了成功。最重要的是，Simulink和Simulink Desktop Real Time使他们能够通过快速实现实时控制器原型，将控制设计理论与实际实现联系起来。
课程概述
机械控制每周三次一小时的讲座和一次三小时的实验。主题包括单输入，单输出线性系统建模，时域分析，传递函数，根轨迹，频率响应方法，比例积分导数(PID)和超前滞后控制器。
四个实验强化了课程所涵盖的主题。在前三个实验室，学生探索模拟直流伺服位置控制，一个双水箱水位调节器，和液压伺服控制。每个实验都是连续两周完成的。
最后的实验是一个控制器设计项目，让学生有机会应用他们在整个课程中获得的技术经验和背景。在之前的实验中，学生们有整整一周的时间来开发控制器，而在最后的实验中，设计是在一个单独的实验中完成的。
实验室工作流程
前三个实验室都遵循相同的基本步骤:系统识别、系统分析、建模和仿真。学生使用国家仪器PCI MIO 16E-4数据采集板测量系统在开环中的行为，以记录系统输出的一系列输入值。他们的任务是使用这个系统识别数据来使用经典方法设计一个控制器—典型的，根轨迹技术。
学生们在MATLAB中工作，通过绘制波形、计算时间常数等方式对数据进行后处理，然后在Simulink中建立并仿真系统的开环模型。将仿真结果与实际测量值进行比较后，建立系统的闭环模型，并通过s仿真。这种方法既强调了经典控制理论技术的重要性，也强调了模拟闭环系统的价值，以确保闭环系统在实现之前是稳定和安全的。万博1manbetx
学生们为每个实验提交一份报告，通常用MATLAB生成的图表记录他们的结果。
实现液压伺服控制
第三实验室和最终的设计项目,学生探索液压伺服控制系统中使用的类似建筑、制造、航空航天工业公司(图1)。我们实验室的房间有一个液压伺服控制系统组成的铅质量安装在一个直线轴承和双头液压缸驱动。在前几年，学生使用图形编程环境来完成实验作业。为了改进实验室，我需要一个能够提供更精确的积分和微分控制的环境，在软件中具有更高的采样率和更低的延迟。
现在，学生们使用Simulink和Real-Time Windows Target来实现液压伺服控制。万博1manbetx在本课程的这个阶段，他们已经熟练地使用Simulink来使用反馈、增益和输入源创建控制器的系统模型，并且可万博1manbetx以通过简单地查看Simulink模型来理解控制系统是如何工作的(图2)。
在这个实验中切换到Simulink的一个主要优势是，学生可以遵循他们在早万博1manbetx期实验中使用的相同的工作流，但现在可以修改控制算法自己，用Simulink Coder生成代码®，然后使用Simulink Desktop real实时运行系统。万博1manbetx在过去的几年里，学生们被限制在只按比例设计，但通过Simulink和Simulink Desktop real，他们可以构建任何类型的控制的实时实现，包括比例纯万博1manbetx、比例加积分和全PID。
万博1manbetxSimulink范围使学生很容易分析信号和回答有关控制器性能的关键问题。例如，当被问及某个特定的驱动信号是否已饱和时，学生可以使用Simulink立即可视化该信号。万博1manbetx如果嵌入式系统不提供对内部信号的访问，要回答这个问题就困难得多。
在实验室使用基于模型的设计
在最后的实验作业中，学生们设计自己的控制器。他们使用的是之前实验室分析过的液压系统，但我改变了它的质量并添加了一个阻尼弹簧来改变它的动力学。
我通过使用信号分析仪测量系统的开环频率响应来进行系统辨识。从这些频率响应数据开始，学生们使用MATLAB中的曲线拟合技术估计系统的传递函数。然后他们有大约两个小时的时间在Simulink中设计PID控制器。我给他们选择使用传统根轨迹技术或控制系统工具箱中的SISO设计工具™.万博1manbetx
在我介绍SISO设计工具之前，我总是确保学生们已经学会了手工绘制根轨迹。在学生们看到使用SISO工具进行根轨迹分析是多么容易之后，他们对传统技术不太感兴趣。然而，SISO工具是一个强大的教学辅助工具。在讲座中，我可以使用当我在根轨迹上移动极点时，我第一次看到，学生们真正理解了不同控制设计的频域和时域之间的联系。
在实验的最后一个小时，他们使用Simulink Desktop real来实现万博1manbetx设计，并评估每个控制器的实时性能。
虽然这门课程强调迭代设计的价值，但实验时间很昂贵，所以学生只能尝试两次。他们通常会发现，由于模型的限制或设计错误，他们的第一个设计并不像他们想象的那样工作。他们利用最初的结果和我的指导进行设计改进。我们评估每个控制器的实时性能，通过绘制所需的剖面与测量的剖面(图3)。
控制者表现最好(均方根误差最低)的学生将获得额外加分。
如果没有基于模型的设计以及Simulink和Simulink Desktop real-time的快速原型功能，这种由多个学生团队设计控制系统、观察它们的实时实现、进行修改和重新测试的实验室体验是不可能的。万博1manbetx
从教学的角度来看，能够向学生展示他们在实际硬件上工作的控制器设计有助于我展示控制理论的相关性。如果没有这种真实的经验，课程材料可能看起来是学术性和理论性的，但一旦他们看到自己的控制器来回移动，没有一个学生ts再次说，“我不明白控制理论的意义。”
