在过去，控制工程是计算机和电气工程师的专属领域，他们拥有高等学位和多年使用低级编程语言的经验。今天，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，而不必学习低级的编程。在整个汽车和航空航天工业中，基于模型的设计将高级系统模型置于开发的中心。这种方法不仅帮助工程专业的学生理解系统组件的基本物理特性，而且还帮助他们理解组件与整个系统行为之间的相互作用。

使用Simulink进行基于模型的设计万博1manbetx^®Simu万博1manbetxlink Desktop Real-Time™改变了我们在加州理工大学圣路易斯奥比斯波分校教授机械控制的方式。在me422 -机械控制这是一门快速入门的控制理论课程，要求所有机械工程系的大四学生使用MATLAB^®和Sim万博1manbetxulink来处理实验室数据，建模和模拟开环和闭环系统。因为他们在本科学习期间一直使用MATLAB环境，所以他们在课程实验室中进行了初步的实践。最重要的是，Simulink和S万博1manbetximulink Desktop Real-Time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相结合。

课程概述

机械控制包括每周三个一小时的演讲和一个三小时的实验。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，比例积分微分(PID)和超前滞后控制器。

四个实验巩固了课堂上的主题。在前三个实验中，学生学习模拟直流伺服位置控制、双水箱水位调节器和液压伺服控制。每项实验在连续两周内完成。

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。不像之前的实验室，学生们在课间有整整一周的时间来开发控制器，在最后的实验室中，设计是在一个单独的课间完成的。

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，以记录系统输出的输入值范围。他们的任务是使用这个系统识别数据来设计一个控制器使用经典的方法-典型的，根轨迹技术。

在MATLAB中，学生通过绘制波形图、计算时间常数等方法对数据进行后处理。然后，他们在Simulink中建立并模拟了系统的开环模型。万博1manbetx在将仿真结果与实际测量结果进行比较后，他们建立了系统的闭环模型，并通过仿真测试了系统的性能。该方法既强调了经典控制理论技术的重要性，又强调了模拟闭环系统以确保其在实现之前是稳定和安全的价值。

学生们为每个实验室提交一份报告，通常用MATLAB生成的图形和图表来记录他们的结果。

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。在过去的几年里，学生们使用图形化的编程环境来完成实验任务。为了改进实验室，我需要一个能够提供更高采样率和更低延迟的更精确的积分和导数控制的环境。

现在，学生们使用Simulink和实时Windows目标来实现液压伺服控制。万博1manbetx在本课程的这个阶段，他们熟练地使用Simulink创建控制器的系统模型，使用反馈、增益和输入源，并通过简单万博1manbetx地查看Simulink模型就可以理解控制系统是如何工作的(图2)。

对于这个实验室来说，切换到Simulink的一个主要优势是，学生可以按照万博1manbetx他们在早期实验室中使用的相同工作流，但是现在可以修改控制算法本身，使用Simulink编码器生成代码^®，然后使用Simulink桌面实时实时运行系统。万博1manbetx在过去的几年里，学生们只局限于比例设计，但是有了Simulink和Simulink Desktop Real-Time，他们可以构建任何类型控制的实时实现，包括万博1manbetx比例控制、比例加积分控制和全PID控制。

万博1manbetxSimulink的作用域使学生能够轻松地分析信号并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经饱和时，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，那么回答这个问题就会困难得多。

在实验室中使用基于模型的设计

在最后的实验作业中，学生设计他们自己的控制器。他们使用了之前实验室里分析过的液压系统，但是我改变了它的质量，加了一个阻尼弹簧来改变它的动力学。

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。从这些频响数据开始，学生们利用MATLAB中的曲线拟合技术来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中设计一个PID控制器。万博1manbetx我让他们可以选择使用传统的根轨迹技术或控制系统工具箱中的SISO设计工具。

在介绍SISO设计工具之前，我总是确保学生已经学会了手工绘制根轨迹。当学生看到使用SISO工具进行根轨迹分析是多么容易之后，他们对传统的技术就不那么感兴趣了。然而，SISO工具是一个强大的指导性帮助。在课堂上，我可以用它来显示根轨迹在屏幕的一边和阶跃响应在另一边。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。

在实验的最后一小时，他们使用Simulink桌面实时来实现设计，并对每个控制器万博1manbetx的实时性能进行评估。

虽然这门课程强调重复设计的价值，但实验时间很昂贵，因此学生只能尝试两次。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认为的那样工作。他们利用最初的结果和我的指导来改进设计。我们通过将期望的轮廓与测量的轮廓作图来评估每个控制器的实时性能(图3)。

控制器性能最好(均方根误差最低)的学生可以获得额外的学分。

如果没有基于模型的设计和Simulink和Simulink Desktop real-time的快速原型功能，这种由多个学生组成的团队设计控制系统、观察控制系统的实时实现、进行修改并重新测试(所有这些都需要在一个三小时的实验周期内完成)的实验体验是不可能实现的。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的控制器设计帮助我证明了控制理论的相关性。没有这些真实世界的经验，课程材料可能会显得学术化和理论化，但是一旦他们看到自己的控制器来回移动一个大质量的物体，没有一个学生再一次说，“我不明白控制理论的意义。”