在过去，控制工程是计算机和电气工程师的专属领域，具有高级学位和多年的低级编程语言经验。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，而无需学习低级编程。基于模型的设计在整个汽车和航空航天工业中使用，它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知识，而且还帮助他们理解组件之间的相互作用和整个系统的行为。
基于模型的Simulink设计金宝app®和Sim金宝appulink桌面实时™已经改变了我们在加州理工州立大学(加州理工大学)圣路易斯奥比斯波教授机械控制的方式。在ME 422-机械控制，机械工程系所有大四学生都需要的控制理论的快速介绍，学生使用MATLAB®和Sim金宝appulink来处理实验室数据，建模和模拟开环和闭环系统。因为他们已经在整个本科学习中使用了MATLAB环境，所以他们在课程实验室中开始了工作。最重要的是，Simulink和S金宝appimulink Desktop real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
机械控制由三个小时的一小时讲座和每周三小时的实验室组成。涵盖的主题包括单输入，单输出线性系统建模，时域分析，传输功能，根基因座，频率响应方法和比例整体导数（PID）和引线滞后控制器。
四个实验室实验强化了讲座涵盖的主题。在前三个实验室中，学生探索模拟直流伺服位置控制，双罐水位调节器和液压伺服控制。每个实验室实验连续两周完成。
最后一个实验室是控制器设计项目，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。与前面的实验不同，在这些实验中，学生们在两个课间有整整一周的时间来开发控制器，在最后的实验中，设计是在一个课时内完成的。
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。学生们使用National Instruments PCI MIO 16E-4数据采集板测量开环系统的行为，以记录一系列输入值的系统输出。他们的任务是使用这个系统识别数据，使用经典方法（通常是根轨迹技术）设计控制器。
在MATLAB中，学生通过绘制波形、计算时间常数等方法对数据进行后处理。然后他们在Simulink中建立并模拟系统的开环模型。金宝app将仿真结果与实际测量结果进行比较后，建立了系统的闭环模型，并通过仿真测试了系统的性能。这种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施前的稳定和安全的价值。
学生们为每个实验室提交一份报告，通常用MATLAB生成的图表记录他们的结果。
实现液压伺服控制
在第三个实验室和最终设计项目中，学生们探索类似于建筑、制造和航空航天工业中使用的液压伺服控制系统（图1）。我们的实验室有一个液压伺服控制系统，由安装在线性轴承上的铅块组成，由液压双端气缸驱动。在前几年，学生们使用图形编程环境来完成实验室作业。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、更高的采样率和更低的软件延迟的环境。
今天，学生们使用Simulink和实时Windows Target实现液压伺服控制。在本课程的这一阶段，他们熟练地使用S金宝appimulink创建控制器的系统模型，使用反馈、增益和输入源，并且可以通过简单地查看Simulink模型了解控制系统的工作原理（图2）。
本实验室切换到Simulink的一个主要优点是，学生可以遵循他们在早期实金宝app验室中使用的相同工作流，但现在可以自己修改控制算法，使用Simulink编码器生成代码®，然后使用Simulink Desktop实时实时运行系统。金宝app在过去的几年中，学生仅限于比例设计，但是实时的Simulink和Simulink Desktop，他们可以构建任何类型的控制的实时实现，包括仅比例，比例加积分和金宝app全PID。
金宝appSimulink Scopes使学生可以轻松分析信号并回答其控制器性能的关键问题。当询问特定致动信号是否已经饱和，例如，学生可以使用Simulink立即可视化该信号。金宝app如果嵌入式系统不提供对内部信号的访问，则回答这个问题是更困难的。
在实验室中使用基于模型的设计
在最后的实验室分配中，学生设计自己的控制器。他们使用他们在先前的实验室分析的液压系统，但我改变了它的质量并添加了一个阻尼弹簧以改变其动态。
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识别。从这个频率响应数据开始，学生使用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中设计一个PID控制器。金宝app我给他们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。当学生们看到用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工具是一个强大的教学辅助工具。在课上，我可以用它来表示屏幕一边的根轨迹，另一边的阶跃响应。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。
在实验室的最后一小时，他们使用Simulink Desktop实时实现设计并评金宝app估每个控制器的实时性能。
虽然本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，由于模型的局限性或设计错误，他们的第一个设计没有按照他们认为的方式工作。他们利用我的初步结果和指导进行设计改进。我们通过绘制所需配置文件和测量配置文件来评估每个控制器的实时性能（图3）。
具有最佳性能控制器（最小均方根误差）的学生赢得额外学分。
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、观察其实时实现、进行修改并在一个三小时的实验课程中重新测试的实验体验是不可能的。金宝app
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。没有真实世界的经验，课程材料可能看起来只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物体，就不会再有学生说:“我不明白控制理论的意义。”
