在过去，控制工程是计算机和电气工程师的专属领域，拥有高等学位和多年的低级编程语言经验。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工业中使用，基于模型的设计将高级系统模型置于开发的中心。这种方法不仅可以帮助工程专业的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交互以及整个系统的行为。
基于模型的Simulink设计金宝app®Simu金宝applink桌面实时™已经改变了我们在加州理工大学(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机械控制该课程是机械工程系所有大四学生必修的控制理论入门课程，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。因为他们在整个本科学习中都使用MATLAB环境，所以他们在课程实验室中进行了实地考察。最重要的是，通过快速实现实时控制金宝app器原型，Simulink和Simulink Desktop Real-Time使他们能够将控制设计理论与实际实现联系起来。
课程概述
机械控制每周包括三个一小时的讲座和一个三小时的实验。涵盖的主题包括单输入、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。
四个实验室实验加强了讲座所涵盖的主题。在前三个实验中，学生将探索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。每个实验室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。与之前的实验不同，在之前的实验中，学生有整整一周的时间来开发一个控制器，在最后的实验中，设计在一个单独的实验中完成。
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。学生们使用美国国家仪器公司PCI MIO 16E-4数据采集板测量系统在开环中的行为，记录系统输入值范围内的输出。他们的任务是使用这些系统识别数据来设计一个控制器，使用经典的方法——通常是根轨迹技术。
在MATLAB中，学生通过绘制波形、计算时间常数等对数据进行后处理。然后，他们在Simulink中构建并模拟系统的开环模型。金宝app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，并通过仿真测试其性能。这种方法既加强了经典控制理论技术的重要性，也加强了模拟闭环系统的价值，以确保在实现之前系统是稳定和安全的。
学生为每个实验提交一份报告，通常用MATLAB生成的图表和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的设计项目中，学生们探索了与建筑、制造和航空航天工业中使用的液压伺服控制系统类似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，由液压双端缸驱动。在前几年，学生们使用图形化编程环境来完成实验作业。为了改进实验室，我需要一个环境，可以提供更精确的积分和导数控制，在软件中具有更高的采样率和更低的延迟。
今天，学生们使用Simulink和Real-Time Windows Target实现液压伺服控制。金宝app在课程的这一阶段，他们已经能够熟练地使用Simulink创建控制器的系统模型，使用反馈、增益和输入源，并且金宝app可以通过简单地查看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金宝app期实验中使用的相同的工作流程，但现在可以自己修改控制算法，用Simulink Coder生成代码®，然后使用Simulink Desktop real - time实时运行系统。金宝app在过去几年里，学生们仅限于比例控制的设计，但是通过Simulink和Simulink Desktop Real-Time，他们可以构建任何类型的控制的实时实现，金宝app包括比例控制、比例加积分控制和全PID控制。
金宝appSimulink范围使学生很容易分析信号和回答有关他们的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立即将该信号可视化。金宝app如果嵌入式系统不提供对内部信号的访问，那么要回答这个问题就困难得多。
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执行系统识别。从这些频响数据开始，学生们在MATLAB中使用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我让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绘根轨迹。在学生们看到使用SISO工具执行根轨迹分析是多么容易之后，他们对传统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。在课堂上，我可以用它在屏幕的一边显示根轨迹，在另一边显示阶跃响应。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。
在实验的最后一个小时，他们使用Simulink桌面实时来实现设计并评估每个控制金宝app器的实时性能。
虽然这门课程强调反复设计的价值，但实验时间很昂贵，所以学生只允许尝试两次。他们通常会发现，由于模型的局限性或设计错误，他们的第一个设计并不像他们想象的那样工作。他们使用他们最初的结果和我的指导来改进设计。我们评估每个控制器的实时性能通过绘制所需的轮廓对测量轮廓(图3)。
控制器表现最好(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桌面实时的快速原型功能，这种由多个学生团队设计控制系统、观察其实时实现、进行修改和重新测试的实验室体验是不可能的。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。如果没有真实世界的经验，课程材料可能会显得学术性和理论性，但一旦他们看到自己的控制器来回移动一个物体，就没有一个学生再说:“我不明白控制理论的意义。”
