“控制系统综合实验”教学探讨＊

陈剑雪 ， 刘 烨

（上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620）

“控制系统综合实验”是一门重要的集中实践教学环节，主要是通过MATLAB/Simulink软件来进行控制系统的分析、建模、设计和仿真，将自动控制理论、现代控制理论、智能控制等课程以及毕业设计等密切联系在一起的仿真类实践环节[1]。

“控制系统综合实验”涉及控制理论、计算数学和计算机等相关知识，近年来随着智能控制、优化计算、图像分析和处理、图像识别等技术的发展，控制系统仿真实验的应用领域不断扩大，仿真效果也不断提高。MATLAB软件中的工具箱的使用，Simulink中控制模型的模块化设计方法、S函数的编写，图形用户界面系统的设计等，涉及多门交叉课程，实践内容丰富，从控制系统建模、分析，到控制器的设计，以及图像处理和优化计算等，为学生的毕业设计打下良好的仿真基础。

1 “控制系统综合实验”教学内容和教学目标

在工业控制领域，仿真技术已经成为控制系统设计的重要技术手段之一，现在，仿真技术已经进入全数字仿真阶段。“控制系统综合实验”是一门重要的集中实践教学环节，主要是通过MATLAB软件来进行控制系统的设计和仿真。该课程实践性较强，对培养学生发现问题、研究问题和解决问题能力有很大的帮助，也有助于理论联系实践、实践促进对理论的理解。学好这门课程，可以为后面的毕业设计打下基础。在国内外很多高校自动化专业都开设了“控制系统仿真技术”或“控制系统仿真与CAD”的课程。比如太原理工大学现代科技学院开设的“控制系统仿真技术”课程，东北大学开设的“控制系统仿真与CAD”课程。这些课程里面都有课内上机实验环节。曲阜师范大学工学院开设的“控制系统仿真”课程，其中课内实验内容主要涉及MATLAB软件中M文件编程实现控制系统分析和设计，以及使用Simulnk进行控制系统仿真。

目前，上海工程技术大学电子电气工程学院自动化专业开设“控制系统综合实验”这门实践类课程，该实验主要围绕三方面展开：1）控制系统建模、分析和设计；2）图像分析处理和界面设计；3）最优化问题的求解。综合性较强，主要是用MATLAB程序设计和Simulink模块化设计来分析和解决自动化系统领域中的实际问题，包括控制系统分析、建模和设计，图像特征提取和处理，以及在设计开发解决方案的过程中运用最优化方法进行工程管理与经济决策[2]。

通过本课程的学习，学生能够根据对象特征，选择建模方法，运用MATLAB软件在计算机上对控制对象进行建模；在控制系统的设计过程中能够对控制器的类型进行选择，并编程实现控制器的功能，使控制系统能够取得良好的控制效果；为了能够解决计算机视觉领域中遇到的问题，也要求学生掌握常见的图像处理、图像分割的仿真方法；并能够掌握最优化问题的求解方法，运用MATLAB软件来解决经济和管理学中的优化问题。

2 实践教学中存在的问题和解决方案

“控制系统仿真”课程实践性较强，为了更好地培养学生的创新实践能力，该校将自动化专业“控制系统仿真”课程改成了“控制系统仿真综合实验”。从以教师为中心、理论教学为主、学生实践为辅的教学过程转换成以学生为中心、学生参与为主的集中实践过程，在实践过程中学生发现问题、查阅资料解决问题，老师引导和帮助学生完成实验项目。

在集中实践教学过程中，一些学生在参与实验项目的过程中不能有效查阅相关资料，编程实践能力较差，导致实验进度缓慢。为了更好地培养学生的主观能动性和实践能力，线上和线下相结合，建立实验课程网站，要求学生提前在课程网站上查阅相关资料，观看有关的学习视频，进行实验课前准备，以便在实验过程中激发学生的积极主动性，使学生更加高效地完成实验项目，并能在完成实验项目后，能对实验中学到的建模方法、控制系统设计方法进行分析和改进。

对于控制系统仿真实验这个集中实践环节，学生进行系统建模、分析、设计和仿真能力的培养，要贯穿到实验项目中。在原来的实验项目设计中有些实验项目较为简单，不利于学生综合能力的培养。对实验项目进行改进和完善，提高实验项目的创新性和综合性，在控制系统设计和仿真中，引入了滑模变结构控制系统和智能PID控制系统的设计和仿真，并对控制系统建模和图像分析、处理等实验进行了进一步的完善，在实验内容的安排上由浅入深，使学生逐渐地提高控制系统分析和解决实际问题的能力[3]。

3 基于MATLAB的控制系统建模、设计和仿真

利用MATLAB/Simulink仿真平台进行控制系统建模、设计和仿真具有十分重要的理论意义和实践意义。控制系统数学模型的有效性直接关系到对系统性能的分析结果，所以建立合理有效的数学模型是控制系统分析中首先要解决的问题。所设计的实验项目中实现了一阶倒立摆和二阶倒立摆数学模型的建立，并要求学生掌握根据控制系统结构图中各模块的连接关系编程建立系统模型的方法。对于数学模型过于复杂的对象，或者是难以建立数学模型的对象，如果已知对象的输入输出数据，可以用神经网络来对对象进行建模，通过实验学生也掌握了BP神经网络建模的方法。

比例积分微分控制（PID控制）广泛应用于工业过程控制中，该控制方法具有算法简单、鲁棒性和可靠性好的优点，其原理是控制器根据给定值和实际输出值之间的控制偏差进行比例、积分和微分运算产生控制信号，对控制参数进行控制。在PID控制仿真实验项目中，学生通过仿真掌握了比例增益、积分时间和微分时间的变化对控制系统暂态性能和稳态性能的影响，然后对PID控制系统进行校正设计，掌握了常见的PID参数的整定方法，通过从简到难的仿真，学生较好地掌握了PID控制系统的设计方法。从控制系统的建模到PID控制器的设计，通过前2个实验项目，学生已经可以结合一些实际的工业对象进行控制系统的设计和控制器参数的整定。

对于控制系统的仿真，可以在MATLAB软件中编程实现，也可以在Simulink仿真平台下模块化设计和仿真。Simulink平台将连接控制系统结构图中的相应模块，并进行模块和仿真参数的设置，可以非常方便地进行控制系统的建模和仿真分析。如果在Simulink仿真平台下仿真，对于智能PID控制器的实现要通过S函数模块来实现，编写S函数程序来实现智能PID控制器，控制器能根据控制系统的偏差和偏差导数的变化来调节PID控制器的参数，达到更好的控制效果。对于S函数的编写方法，实验项目的设计上由浅入深，从只有输出方程的简单智能PID控制器的实现到具有状态方程和输出方程的复杂滑模变结构控制器的实现，学生较好地掌握了S函数的编写方法，能够在Simulink仿真平台下进行复杂控制系统的设计和仿真，取得了较好的实验效果[4]。对于复杂控制系统的设计和仿真，可以采用分组完成的方式，学生以小组形式互相讨论，可以更好地相互交流，团队合作完成实验项目。控制系统建模、设计和仿真是“控制系统综合实验”课程的重点，有了自动控制理论、现代控制理论、智能控制课程的理论基础，学生通过上机实践，较好地掌握了实验内容，取得较好实验效果。

4 控制系统中图像处理技术的应用和仿真

随着图像处理技术的发展，图像处理技术在系统运动分析和控制中的应用越来越广泛。在一些运动控制系统中，为了保证物体运动轨迹的实时控制，实时采集运动区域图像，采用图像处理技术分析系统运动区域的运动物体和障碍物的位置，然后由控制器根据运动物体和障碍物的位置发出控制指令，控制物体运动轨迹。图像处理技术也应用于轮胎胎面纠偏控制系统中。在轮胎生产过程中，实时采集和处理胎面图像，分析出胎面的偏移角度，反馈给控制器，由控制器来产生控制信号来调整纠偏皮带，保证皮带无偏移地输送。

在图像处理的实验项目中，学生掌握了图像常见的处理方法，并用MATLAB软件进行仿真。从基本的图像读入、图像类型的转换到不同类型图像的消噪和分割等图像处理技术的仿真，学生对一般图像处理的流程和方法有较为熟练的掌握。仿真过程中由易到难，从灰度图像的消噪到彩色图像的消噪，学生较好地掌握了对RGB彩色图像数据的高维特点，如何利用RGB三通道的分离进行图像数据矩阵的降维处理，分别消噪降维处理后三通道的RGB图像数据，再进行RGB三通道图像数据合成，得到消噪后的RGB彩色图像数据。在图像分割的仿真时，学生也利用了BP神经网络进行了灰度图像分割模型的训练，学会了如何针对不同的灰度图像来调整训练时灰度的阈值从而提高分割效果的方法。

5 结语

笔者对自动化专业集中实践类课程“控制系统综合实验”进行了实验教学研究，根据实验教学目标设计了实验项目，分析了仿真实验过程中存在的问题，提出了相应的解决方案。在实践过程中加以实施，取得了较好实验教学效果，学生理论联系实践的能力得到了很大提高，培养了学生创新实践能力。