“控制系统仿真与设计”课程建设

张新丰，陈 慧，李 琪

(同济大学汽车学院，上海201804)

控制系统在各种工业产品中，已经越来越普及。比如在汽车中，就有发动机控制系统、制动防抱死系统、稳定性控制系统、自动变速箱控制系统、电子助力转向系统以及车身控制系统等。在飞机、火车等运载工具的机电系统中，控制器扮演着越来越重要的角色。在车辆工程教学中，关于控制系统建模、仿真与设计的教学作为本科生的培养内容极为必要，已有不少文献做了相关教学改革的报道［1-3]。

“控制系统仿真与设计”课程在实际教学过程中，既要立足于本科生已掌握的知识，又要通过不同的教学方法给予理论知识和操作技巧上的升华。

1 国内外课程对比分析

1.1 调研对象

我们挑选出在机械工程(特别是车辆工程)专业方面排名靠前的国内和国外高校，对其教学大纲和培养计划进行分析，发现有相当多的课程与“控制系统仿真与设计”课程类似。

1.2 典型课程组合模式

我们以国内外机械工程(尤其是汽车工程)研究领域著名大学所开设课程为调研对象，发现在经典控制理论，系统建模及如何使用数值仿真工具的知识体系方面，不同学校在课程开设上具有不同的课程组合模式。

1)线性控制系统+控制器设计模式

美国斯坦福大学开设了“Introduction to Linear Dynamical Systems”及“Control System Design and Simulation”，分别介绍线性控制系统及控制器仿真与设计的内容;密歇根大学也已开设了“Modeling，Analysis and Control of Dynamic Systems”，“Automatic Control”及“Computer Aided Design Methods”三门课程，介绍系统建模、系统分析与控制系统设计。其特点是在系统分析和控制器设计过程中使用了仿真工具，但并未对仿真方法做专门性介绍。

2)Matlab软件+系统建模+控制系统设计模式

美国麻省理工学院机械工程系开设了“Introduction to Malab”，“Modeling and Simulation of Dynamic Systems”及“Analysis and Design of Feedback Control Systems”等三门课程，分别就Matlab数值仿真软件，动态系统建模及反馈控制系统进行介绍。该校为高年级学生开设了“Nonlinear Control System Design”;加州大学伯克利分校开设了“Feedback Control Systems”，“Fundamental Algorithms for Systems Modeling，Analysis，and Optimization”以及“Advanced Programming with Matlab”等三门课程，其最大的特点是十分重视控制系统中采用数值方法和仿真技术。

3)自动控制基础+系统建模与仿真模式

德国慕尼黑理工大学开设“Modern Methods of Automatic Control”及“Modeling and Simulation”两门在自动控制方面的基础课程;我院也采用了同样的培养计划，但没有单独设置介绍Matlab软件工具的专门课程。

4)其他模式

清华大学汽车系在本科生培养计划中，开设了“数值计算”及“控制工程基础”两门课程，前者以Matlab为基础介绍微分方程的数值计算，后者介绍经典控制理论，没有专门介绍控制系统仿真研究的课程;上海交通大学机械工程学院开设了“建模、分析与系统控制”;吉林大学、北京理工大学、华南理工大学等开设了“自动控制基础”，其余后续课程直接进入到应用型专业课程，比如“汽车电子与控制”，“汽车电子控制技术”及“工程车辆机电控制设计”等。这种模式下，对于自动控制原理及仿真方法的深入介绍有所欠缺。

1.3 典型课程特色

我们选取了如下国内外的典型课程，进行了内容对比与分析:

(1)慕尼黑工业大学“Modeling and Simulation”课程以现代机械工程为研究对象，讲述真实系统建模的过程。其中的例子涵盖了机械学、热动力学和流体动力学等;

(2)加州大学伯克利分校的“Fundamental Algorithms for Systems Modeling，Analysis，and Optimization”课程在时域及变换的频域中，对线性反馈控制系统进行分析和综合。利用根轨迹进行控制系统设计，介绍了电子机械和机电一体化系统中的应用。

(3)密歇根大学的“Modeling，Analysis and Control of Dynamic Systems”课程介绍了开发动态系统的数学模型，包括机械，电气，机电，流体/热系统，并介绍这些模型传递函数和状态空间形式。动力系统模型分析，包括时间和频率响应。线性反馈控制技术。通过分析和计算机方法的合成和分析。

(4)麻省理工学院的“Modeling and Simulation of Dynamic Systems”课程介绍了工程系统的时域和频域建模，以及控制系统的实施。控制系统仿真的网络表示法以及状态空间模型;多能量储存和耗散、勒让德变换、非线性力学、变换理论、拉格朗日和哈密顿形式控制相关的理论。其应用实例包括机电传感器、机械电子、流体和热系统、可压缩流动、化学过程、扩散和波的传输。

(5)国内在车辆工程方面最强的几所高校，均开设了“自动控制基础”课程，然而后续课程的开设却完全不一致。关于介绍系统建模与仿真分析的课程非常少。

2 对课程建设的启示

2.1 课程定位与目标分析

作为车辆工程专业汽车电子研究方向，本科生只要求掌握机械类、电子类与控制类三大内容体系。其中“控制系统仿真与设计”课程在整个培养体系中的定位如图1所示。

图1 本课程在培养体系中的定位

如图所示，在本科生培养体系中，知识的积累可以分为纵向深入和横向拓展两个方向。横向拓展依据学科领域分为控制类、机械类及电子类课程;在本科高年级阶段，特别是在研究生阶段，本课程为研究生深入学习其他课程打下基础。纵向拓展分为公共基础课、专业基础课、专业必修课和研究生课程等。从专业必修课程的角度来看，本课程紧密衔接“自动控制原理”，是该课程的深入学习。

2.2 知识点衔接分析

在本专业教学大纲中，与“控制系统仿真与设计”课程直接相衔接的课程包括:“自动控制原理”、“汽车理论”、“传感器原理”、“汽车电子学”和“计算机控制基础”，如图2所示。

图2 知识点衔接图

上图中的φ1～φ5为知识衔接部分。

(1)“自动控制原理”为本课程的理论准备课程，其关键理论知识，包括线性控制系统理论、控制系统时域分析方法、频域分析方法及稳定性分析方法等基本概念，是本课程必须具备的知识前提;而本课程则在其基础上，专注于控制系统性能指标的理解和控制器的设计方法。

(2)“传感器原理与应用”涉及到的知识与本课程所涉及的反馈概念有非常大的关系，传感器原理有助于理解控制系统中反馈的概念，知道反馈信号是如何获取的。

(3)“汽车电子学”是本课程所述控制器实现的硬件基础，内容包括汽车电子控制系统中所涉及到的机械、电子及系统基本原理和构成，是控制系统的物理结构。

(4)“汽车原理”是车辆工程专业的最核心的课程之一，也是本课程讲授过程中所涉及到的主要控制对象。

(5)“计算机控制基础”是利用计算机实现控制器的研究生课程，偏重于技术和应用，是本课程后续深入的方向。本课程讲授的利用数值方法进行系统仿真和设计的基本方法，都可以应用到该课程中。

2.3 课程建设的方向

本课程今后在内容修订上，应注意避免与其他课程更多的交叠，突出自己的特色。需要加强如下具体内容。

1)微分方程的数值解法与数字仿真基本原理

该部分包括各种数值积分方法，算法收敛性、稳定性和误差控制等内容，对于理解如何利用数值计算方法实现控制系统的仿真具有很重要的意义;

2)Matlab仿真工具应用及编程技巧

Matlab数值仿真工具对于本课程的教学具有很重要的作用，特别是在仿真实现过程中，如何利用M语音编程实现微分方程数值求解的技巧，以便于更加深入理解数值仿真工具的应用。

3)丰富教学内容，彰现课程特色

在教学中应增强有关汽车中控制系统的设计应用。目前已有直流电机调速控制、自适应巡航控制和自动助理转向控制等，今后还需要继续增加相应的内容，以使得教学内容更加丰富。

本课程在讲解时，最好以汽车中涉及到的动力系统为分析对象，以汽车电子控制系统为控制器设计案例，以加强教学效果，突出课程特色。

4)加强实验环节

由于本课程技巧性和操作性比较强，应以实验促进学生动手能力，提高学习效果。目前开设的演示实验已经取得了不错的效果。今后应结合大作业，开设从控制系统仿真—基于快速控制器原型—自动代码生成—硬件在环仿真—系统标定等覆盖现代控制器设计流程的动手实验。

3 结语

我们认为，对于控制系统理论及建模、仿真与控制器设计等教学内容，国内外高校在课程设置上都有相应的特色和不同的课程组合。我们应立足于自身的培养计划，通过课程的定位和目标分析、知识点衔接分析等过程，才能更好地进行“控制系统仿真与设计”课程建设。

［1] 张新丰，陈慧.嵌入式控制系统V型开发流程的实验教学［J] .南京:电气电子教学学报，2012，34(5):70-71.

［2] 张向文.《汽车电子技术》课程教学改革的探讨［J] .北京:高等教育，2008，(1):104-106.

［3] 王伟，申爱明.《控制工程基础》课程教学改革研究与探索［J] .合肥:《安徽师范大学学报:自然科学版》，2007，2