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1、控制系统数字仿真控制系统数字仿真授课老师：杜 秀 华联系邮箱：二一五年九月学习本课程的目的n了解系统仿真的基本概念、掌握常用的数字仿真方法n学会使用常用的仿真软件本课程的主要内容n第一章 概论n第二章 MATLAB程序设计基础n第三章 连续系统的数字仿真n第四章 采样控制系统的数字仿真n第五章 仿真与优化n第六章 系统建模与仿真工具Simulink主要参考资料n黄向华，控制系统仿真北京航空航天大学出版社，2008年n黄道平，MATLAB与控制系统的数字仿真及CAD，化学工业出版社，2004年n魏克新，MATLAB语言与自动控制系统设计机械工业出版社，1997年n熊光楞，控制系统数字仿真清华大学
2、出版社，1982年n黄柯棣，系统仿真技术国防科技大学出版社，1998年n薛定宇，控制系统计算机辅助设计清华大学出版社，1996年nNaim A.Kheir,System modeling and Computer Simulation Marcel Dekker,Inc.,1996n杂志：系统仿真学报、Simulation第一章 概论本章主要要求：n掌握系统、模型、仿真的概念n对系统仿真特别是数字仿真有一概括认识q数字仿真技术的发展概况q数字仿真软件的功能和构成q数字仿真技术的应用系统仿真：建立系统的模型（数学模型，物理模型或数学物理模型），并在模型上进行实验。系统仿真最基本的依据是相似原理
3、几何比例相似 特性相似 感觉相似 逻辑思维方式相似 微分方程的数值解法、离散相似法数字仿真的基础几何相似几何相似感觉相似感觉相似特性相似特性相似系统仿真的内涵系统仿真的内涵：仿真技术是以相似原理、信息技术和系统技术及应用领域有关专门技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际或假想的系统进行动态试验研究的一门多学科综合的技术性学科。主要研究建立仿真系统及仿真系统应用的理论、方法和技术。系统仿真学科的定义系统 被研究的对象模型 对系统的描述、抽象仿真 研究系统的工具和手段1.1 系统的定义和分类一、系统的定义 系统是具有特定功能的相互间以一定规律联系着的物体所组成的总体。例：飞机自动
4、驾驶系统工程系统例：工厂系统非工程系统系统研究的三个要素：实体 组成系统的具体对象属性 实体的特性（状态和参数）活动 对象随时间推移发生的状态变化 二、系统的特性1、整体性2、相关性三、系统的环境 在系统研究目的确定后，才能确定系统的环境一个系统，只有在研究目的确定且其实体、属性、活动环境作了明确的描述后，才是确定的，才能考虑系统模型的建立。四、系统分类 分类方法：按属性、对系统内部认识程度按状态变化是否连续 便于数学分析的分类方法可分为：连续系统和离散事件系统连续系统和离散事件系统本课程重点介绍连续系统的仿真连续系统的仿真（系统的状态随时间连续变化的系统，其动态特性用微分方程或差分方程表示）
5、1.2 系统模型和仿真的基本概念n仿真：利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。或者n仿真是一种试验过程，就是在某种设备上试验系统，包括建立、修改系统模型、再现系统状态。一、系统模型系统模型：为了进行系统研究，用来收集系统有关信息的物体或数学描述。二、模型分类物理模型：根据相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成的模型，其状态变量与原来系统相同。数学模型：用数学方程（或信流图、结构图）来描述系统性能的模型。分析法：用数学理论推导、演绎求解模型的方法数值法：应用计算程序求解数学模型的方法系统仿真模型:采用数值计算技术求解的动态数学模型，可以直接计算的模型三、系统仿真1、仿真技术 利用数值计算方
6、法求解系统动态模型的方法，仿真过程中，任何一步计算所得到的值，都是指定时间内，已被模型化了的系统的状态。2、仿真方法与分析方法的比较 仿真方法只给出特解，而不是通解例：汽车轮子工作情况的动力学模型式中K：弹簧弹性系数，M：轮子质量，D：减震器的阻尼系数仿真的实验性质3、系统仿真的类型 按模型分类物理仿真物理仿真：采用物理模型，有实物介入。具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长，大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具有实时性、在线的特点。数学仿真数学仿真：采用数学模型在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。物理数
7、学仿真物理数学仿真（半实物仿真）弹体姿态控制系统半实物仿真框图模拟仿真模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。50年代q描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较困难，自动化程度低。q模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的“模拟运算放大器”为主要部件所构成。数字仿真数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代 按计算机类型分类q计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度可以是无限，但是由于受到误差积
8、累、仿真时间等因素影响，其精度也不易定得太高。q对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能。q计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”会在不同程度上有所改进与提高。q数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。混合仿真混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。现代计算机仿真现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。80年代以来数字计算机仿真的步骤（五步）n问题描述、建立数学模型n准备仿真模型n画
9、出实现仿真模型的流程图、并编制计算机程序n验证或认可模型n运行仿真模型数字仿真的流程图计算机仿真和辅助设计的概念区别n计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。说明：计算机辅助设计的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。1.3 数字仿真软件的功能和主要类型 仿真算法微分方程的数值积分法离散相似法数字仿真软件三个基本功能三个基本功能：置初值、模型运行、结果处理和输出数字仿真语言基本构成基本构成：翻译模块、实用程序库、输出模
10、块专用仿真软件电厂仿真软件、轧钢仿真软件计算机仿真软件一、仿真软件的发展1、编制程序阶段n所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。2、程序软件包阶段n出现了“应用子程序库”。3、交互式语言阶段（仿真语言）n仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。4、模型化图形组态阶段n符合设计人员对基于模型图形化的描述。二、几种仿真软件1、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件3、MATLAB：具有强大的
11、数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。1.4仿真技术的应用与发展一、仿真技术在工程中的应用1、航空与航天工业n飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。n飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。2、电力工业n电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制等。n电站操作人员培训模拟系统。3、原子能工业n模拟核反应堆n核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故
12、障的排除处理。4、石油、化工及冶金工业5、非工程领域n医学n社会学n宏观经济与商业策略的研究仿真工业应用仿真工业应用二、应用仿真技术的意义1、经济n大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的1/10-1/5，而且设备可以重复使用。2、安全n某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。3、快捷n提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、具有优化设计和预测的特殊功能n对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿
13、真可以发挥它特殊的优化设计功能。n在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。三、仿真技术的发展趋势1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人置身于真实环境之中。本章小结n仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。n数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。n仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。n系统模型可以分为物理模型、数学模型及仿真模型，据此可将仿真分为物理仿真和数学仿真两大类。n系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素，建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。nMATLAB与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件。