“控制系統綜合實驗”教學探討＊

陳劍雪 ， 劉 燁

（上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620）

“控制系統綜合實驗”是一門重要的集中實踐教學環節，主要是通過MATLAB/Simulink軟件來進行控制系統的分析、建模、設計和仿真，將自動控制理論、現代控制理論、智能控制等課程以及畢業設計等密切聯系在一起的仿真類實踐環節[1]。

“控制系統綜合實驗”涉及控制理論、計算數學和計算機等相關知識，近年來隨著智能控制、優化計算、圖像分析和處理、圖像識別等技術的發展，控制系統仿真實驗的應用領域不斷擴大，仿真效果也不斷提高。MATLAB軟件中的工具箱的使用，Simulink中控制模型的模塊化設計方法、S函數的編寫，圖形用戶界面系統的設計等，涉及多門交叉課程，實踐內容豐富，從控制系統建模、分析，到控制器的設計，以及圖像處理和優化計算等，為學生的畢業設計打下良好的仿真基礎。

1 “控制系統綜合實驗”教學內容和教學目標

在工業控制領域，仿真技術已經成為控制系統設計的重要技術手段之一，現在，仿真技術已經進入全數字仿真階段。“控制系統綜合實驗”是一門重要的集中實踐教學環節，主要是通過MATLAB軟件來進行控制系統的設計和仿真。該課程實踐性較強，對培養學生發現問題、研究問題和解決問題能力有很大的幫助，也有助于理論聯系實踐、實踐促進對理論的理解。學好這門課程，可以為后面的畢業設計打下基礎。在國內外很多高校自動化專業都開設了“控制系統仿真技術”或“控制系統仿真與CAD”的課程。比如太原理工大學現代科技學院開設的“控制系統仿真技術”課程，東北大學開設的“控制系統仿真與CAD”課程。這些課程里面都有課內上機實驗環節。曲阜師范大學工學院開設的“控制系統仿真”課程，其中課內實驗內容主要涉及MATLAB軟件中M文件編程實現控制系統分析和設計，以及使用Simulnk進行控制系統仿真。

目前，上海工程技術大學電子電氣工程學院自動化專業開設“控制系統綜合實驗”這門實踐類課程，該實驗主要圍繞三方面展開：1）控制系統建模、分析和設計；2）圖像分析處理和界面設計；3）最優化問題的求解。綜合性較強，主要是用MATLAB程序設計和Simulink模塊化設計來分析和解決自動化系統領域中的實際問題，包括控制系統分析、建模和設計，圖像特征提取和處理，以及在設計開發解決方案的過程中運用最優化方法進行工程管理與經濟決策[2]。

通過本課程的學習，學生能夠根據對象特征，選擇建模方法，運用MATLAB軟件在計算機上對控制對象進行建模；在控制系統的設計過程中能夠對控制器的類型進行選擇，并編程實現控制器的功能，使控制系統能夠取得良好的控制效果；為了能夠解決計算機視覺領域中遇到的問題，也要求學生掌握常見的圖像處理、圖像分割的仿真方法；并能夠掌握最優化問題的求解方法，運用MATLAB軟件來解決經濟和管理學中的優化問題。

2 實踐教學中存在的問題和解決方案

“控制系統仿真”課程實踐性較強，為了更好地培養學生的創新實踐能力，該校將自動化專業“控制系統仿真”課程改成了“控制系統仿真綜合實驗”。從以教師為中心、理論教學為主、學生實踐為輔的教學過程轉換成以學生為中心、學生參與為主的集中實踐過程，在實踐過程中學生發現問題、查閱資料解決問題，老師引導和幫助學生完成實驗項目。

在集中實踐教學過程中，一些學生在參與實驗項目的過程中不能有效查閱相關資料，編程實踐能力較差，導致實驗進度緩慢。為了更好地培養學生的主觀能動性和實踐能力，線上和線下相結合，建立實驗課程網站，要求學生提前在課程網站上查閱相關資料，觀看有關的學習視頻，進行實驗課前準備，以便在實驗過程中激發學生的積極主動性，使學生更加高效地完成實驗項目，并能在完成實驗項目后，能對實驗中學到的建模方法、控制系統設計方法進行分析和改進。

對于控制系統仿真實驗這個集中實踐環節，學生進行系統建模、分析、設計和仿真能力的培養，要貫穿到實驗項目中。在原來的實驗項目設計中有些實驗項目較為簡單，不利于學生綜合能力的培養。對實驗項目進行改進和完善，提高實驗項目的創新性和綜合性，在控制系統設計和仿真中，引入了滑模變結構控制系統和智能PID控制系統的設計和仿真，并對控制系統建模和圖像分析、處理等實驗進行了進一步的完善，在實驗內容的安排上由淺入深，使學生逐漸地提高控制系統分析和解決實際問題的能力[3]。

3 基于MATLAB的控制系統建模、設計和仿真

利用MATLAB/Simulink仿真平臺進行控制系統建模、設計和仿真具有十分重要的理論意義和實踐意義。控制系統數學模型的有效性直接關系到對系統性能的分析結果，所以建立合理有效的數學模型是控制系統分析中首先要解決的問題。所設計的實驗項目中實現了一階倒立擺和二階倒立擺數學模型的建立，并要求學生掌握根據控制系統結構圖中各模塊的連接關系編程建立系統模型的方法。對于數學模型過于復雜的對象，或者是難以建立數學模型的對象，如果已知對象的輸入輸出數據，可以用神經網絡來對對象進行建模，通過實驗學生也掌握了BP神經網絡建模的方法。

比例積分微分控制（PID控制）廣泛應用于工業過程控制中，該控制方法具有算法簡單、魯棒性和可靠性好的優點，其原理是控制器根據給定值和實際輸出值之間的控制偏差進行比例、積分和微分運算產生控制信號，對控制參數進行控制。在PID控制仿真實驗項目中，學生通過仿真掌握了比例增益、積分時間和微分時間的變化對控制系統暫態性能和穩態性能的影響，然后對PID控制系統進行校正設計，掌握了常見的PID參數的整定方法，通過從簡到難的仿真，學生較好地掌握了PID控制系統的設計方法。從控制系統的建模到PID控制器的設計，通過前2個實驗項目，學生已經可以結合一些實際的工業對象進行控制系統的設計和控制器參數的整定。

對于控制系統的仿真，可以在MATLAB軟件中編程實現，也可以在Simulink仿真平臺下模塊化設計和仿真。Simulink平臺將連接控制系統結構圖中的相應模塊，并進行模塊和仿真參數的設置，可以非常方便地進行控制系統的建模和仿真分析。如果在Simulink仿真平臺下仿真，對于智能PID控制器的實現要通過S函數模塊來實現，編寫S函數程序來實現智能PID控制器，控制器能根據控制系統的偏差和偏差導數的變化來調節PID控制器的參數，達到更好的控制效果。對于S函數的編寫方法，實驗項目的設計上由淺入深，從只有輸出方程的簡單智能PID控制器的實現到具有狀態方程和輸出方程的復雜滑模變結構控制器的實現，學生較好地掌握了S函數的編寫方法，能夠在Simulink仿真平臺下進行復雜控制系統的設計和仿真，取得了較好的實驗效果[4]。對于復雜控制系統的設計和仿真，可以采用分組完成的方式，學生以小組形式互相討論，可以更好地相互交流，團隊合作完成實驗項目。控制系統建模、設計和仿真是“控制系統綜合實驗”課程的重點，有了自動控制理論、現代控制理論、智能控制課程的理論基礎，學生通過上機實踐，較好地掌握了實驗內容，取得較好實驗效果。

4 控制系統中圖像處理技術的應用和仿真

隨著圖像處理技術的發展，圖像處理技術在系統運動分析和控制中的應用越來越廣泛。在一些運動控制系統中，為了保證物體運動軌跡的實時控制，實時采集運動區域圖像，采用圖像處理技術分析系統運動區域的運動物體和障礙物的位置，然后由控制器根據運動物體和障礙物的位置發出控制指令，控制物體運動軌跡。圖像處理技術也應用于輪胎胎面糾偏控制系統中。在輪胎生產過程中，實時采集和處理胎面圖像，分析出胎面的偏移角度，反饋給控制器，由控制器來產生控制信號來調整糾偏皮帶，保證皮帶無偏移地輸送。

在圖像處理的實驗項目中，學生掌握了圖像常見的處理方法，并用MATLAB軟件進行仿真。從基本的圖像讀入、圖像類型的轉換到不同類型圖像的消噪和分割等圖像處理技術的仿真，學生對一般圖像處理的流程和方法有較為熟練的掌握。仿真過程中由易到難，從灰度圖像的消噪到彩色圖像的消噪，學生較好地掌握了對RGB彩色圖像數據的高維特點，如何利用RGB三通道的分離進行圖像數據矩陣的降維處理，分別消噪降維處理后三通道的RGB圖像數據，再進行RGB三通道圖像數據合成，得到消噪后的RGB彩色圖像數據。在圖像分割的仿真時，學生也利用了BP神經網絡進行了灰度圖像分割模型的訓練，學會了如何針對不同的灰度圖像來調整訓練時灰度的閾值從而提高分割效果的方法。

5 結語

筆者對自動化專業集中實踐類課程“控制系統綜合實驗”進行了實驗教學研究，根據實驗教學目標設計了實驗項目，分析了仿真實驗過程中存在的問題，提出了相應的解決方案。在實踐過程中加以實施，取得了較好實驗教學效果，學生理論聯系實踐的能力得到了很大提高，培養了學生創新實踐能力。