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1、控制系统仿真控制系统仿真课程任务课程任务 通过本课程的学习，初步掌握当前流行的通过本课程的学习，初步掌握当前流行的演算式演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学语言的基本知识，结合所学课程自动控制原理，学会运用课程自动控制原理，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。能，为今后从事科学研究打下较好的基础。第第1章章 控制系统及仿真概述控制系统及仿真概述 控制系统仿真是近控制系统仿真是近20年来发展起来的一年来发展起来的一门新兴技术学科。它已成为对控制系统进行门新兴技术学科。它已成为对控制系统进行分析
2、、设计和综合研究中一种很有效的手段。分析、设计和综合研究中一种很有效的手段。特别是在计算机高度发达的今天，所研究设特别是在计算机高度发达的今天，所研究设计的控制系统日益复杂化，控制任务多样化，计的控制系统日益复杂化，控制任务多样化，而控制要求也越来越高，利用计算机来进行而控制要求也越来越高，利用计算机来进行仿真实验和研究，以及进一步进行计算机控仿真实验和研究，以及进一步进行计算机控制就成为从事控制及相关行业的工程技术人制就成为从事控制及相关行业的工程技术人员所必须掌握的一项技术。员所必须掌握的一项技术。1.1自动控制系统的广泛应用自动控制系统的广泛应用1.1.1 电力拖动自动控制系统的应用电力
3、拖动自动控制系统的应用1.1.2 工业生产过程自动控制系统的应用工业生产过程自动控制系统的应用 1.2 控制系统计算机仿真的基本概念控制系统计算机仿真的基本概念1.2.1 控制系统计算机仿真控制系统计算机仿真控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。以下介绍几个有关系统计算机仿真的概科。以下介绍几个有关系统计算机仿真的概念。念。系统：不同的领域对于系统的含义有不同的系统：不同的领域对于系统的含义有不同的解释。在控制工程中，系统的定义为：物质解释。在控制工程中，系统的定义为：物质世界
4、中相互制约又相互联系着的、以期实现世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体。如果系统用于自某种目的的一个运动整体。如果系统用于自动控制，则称之为自动控制系统。动控制，则称之为自动控制系统。模型：是对所要研究的系统在某些特定方面模型：是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。分为物理模型和数学模型两种。的抽象。分为物理模型和数学模型两种。数学模型分为机理模型、统计模型和混合模数学模型分为机理模型、统计模型和混合模型。型。温度控制系统温度控制系统系统仿真：是以系统数学模型为基础，以系统仿真：是以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种计算机为工具对系统进行实验研
5、究的一种方法方法。仿真的基本思想是利用物理的或数学的模仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是程的认识。它所遵循的基本原则是相似性相似性原理原理。试验的方案有两种：试验的方案有两种：一种是直接在真实系统上进行。一种是直接在真实系统上进行。另一种则是按真实系统的另一种则是按真实系统的“样子样子”构造一个构造一个模型，在模型上进行。模型，在模型上进行。1.按仿真模型的种类划分按仿真模型的种类划分（1）物理仿真）物理仿真（2）数学仿真）数学仿真（3）数学）数学-物理仿真物理仿真（1）物理仿真：）物理仿真
6、：采用物理模型，有实物介入！采用物理模型，有实物介入！具具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗有效果逼真，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、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、在线度仿真与培训系统等），具有实时性、在线的特点。的特点。（2）数学仿真：采用数学模型）数学仿真：采用数学模型 在计在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。经济、快速、实用。（3）数学数学-物理仿真：物理仿真：将系统的
7、物理将系统的物理模型和数学模型以及部分实物有机地组合在模型和数学模型以及部分实物有机地组合在一起进行实验研究，称之为数学物理仿真，一起进行实验研究，称之为数学物理仿真，也称为半实物仿真。也称为半实物仿真。2.按系统随时间变化的状态分类按系统随时间变化的状态分类（1）连续系统仿真连续系统仿真。系统的输入输出信号均为时间的连续函数，可系统的输入输出信号均为时间的连续函数，可用一组数学表达式来描述，例如采用微分方用一组数学表达式来描述，例如采用微分方程、状态方程等。程、状态方程等。（2）离散事件系统仿真离散事件系统仿真。系统的状态变化只是在离散时刻发生，且由某系统的状态变化只是在离散时刻发生，且由某
8、种随机事件驱动，称之为离散事件系统。种随机事件驱动，称之为离散事件系统。系统系统模型模型建立仿真模型建立仿真模型建立数学模型建立数学模型仿真实验仿真实验结果分析结果分析计算机计算机1.2.2 控制系统计算机仿真的过程控制系统计算机仿真的过程1.根据仿真目的确定仿真方案根据仿真目的确定仿真方案2.建立自动控制系统的数学模型建立自动控制系统的数学模型 系统的数学模型是描述系统输入、输出变系统的数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。量以及内部各变量之间关系的数学表达式。最常用的基本数学模型是微分方程与差分最常用的基本数学模型是微分方程与差分方程。方程。3.建立自动控制系
9、统的仿真模型建立自动控制系统的仿真模型 原始控制系统的数学模型，如微分方程、原始控制系统的数学模型，如微分方程、差分方程等，还不能直接用来对系统进行仿差分方程等，还不能直接用来对系统进行仿真，应该将其转换为能在计算机中对系统进真，应该将其转换为能在计算机中对系统进行仿真的模型。行仿真的模型。对于连续系统而言，将微分方程这样的对于连续系统而言，将微分方程这样的原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得控制系统的传递函数，以传递斯变换，求得控制系统的传递函数，以传递函数模型为基础，将其等效变换为状态空间函数模型为基础，将其等效变换为状态空间模型，这些模
10、型都是系统的仿真模型。模型，这些模型都是系统的仿真模型。对于离散系统而言，将差分方程经对于离散系统而言，将差分方程经z变换转换为计算机可以处理的数字控制变换转换为计算机可以处理的数字控制器模型即可。器模型即可。4编制自动控制系统的仿真程序编制自动控制系统的仿真程序 对于非实时系统的仿真，可以用一般的对于非实时系统的仿真，可以用一般的高级语言，例如高级语言，例如Basic、Fortran 或或C 语言语言等编制系统的仿真程序；对于快速、实时等编制系统的仿真程序；对于快速、实时系统的仿真，往往采用汇编语言编制仿真系统的仿真，往往采用汇编语言编制仿真程序。程序。目前，采用目前，采用MATLAB 仿真
11、比较普遍。仿真比较普遍。利用利用MATLAB 的的TOOLBOX 工具箱及其工具箱及其Simulink 仿真集成环境作仿真工具，来研仿真集成环境作仿真工具，来研究和分析控制系统是非常方便的。究和分析控制系统是非常方便的。5在计算机上进行仿真实验并输出仿真结果。在计算机上进行仿真实验并输出仿真结果。首先，将编制好的仿真程序输入到计算机中，首先，将编制好的仿真程序输入到计算机中，并给定仿真的初始参数；然后进行仿真实验并并给定仿真的初始参数；然后进行仿真实验并对仿真模型与仿真程序作相应的检验和修改，对仿真模型与仿真程序作相应的检验和修改，再按照系统仿真的要求将得到的系统仿真最终再按照系统仿真的要求将
12、得到的系统仿真最终结果通过相应设备以数据、曲线、图形等方式结果通过相应设备以数据、曲线、图形等方式输出；最后，进行仿真总结，提交系统仿真的输出；最后，进行仿真总结，提交系统仿真的报告报告。1.3 控制系统控制系统MATLAB计算与仿真计算与仿真1.3.1 先进的软件先进的软件MATLAB MATLAB语语言言是是美美国国Math Works公公司司于于20世世纪纪80年年代代推推出出的的高高性性能能数数值值计计算算软软件件，MATLAB 语语言言源源于于线线性性代代数数中中的的数数学学运运算算，它它不不同同于于其其他他的的计计算算机机高高级级语语言言，MATLAB语语言言最最初初是是基基于于矩
13、矩阵阵的的运运算算工工具具，这这也也是是其其名名称称MATLAB(MATrix LABoratory)的的由由来来。MATLAB 语语言言已已成成为为当当今今全全世世界界流流行行的的一一种种优秀的计算机语言。优秀的计算机语言。1.MATLAB语言功能强大，适用范围广泛。语言功能强大，适用范围广泛。2.MATLAB语言编程效率高。语言编程效率高。MATLAB语语言提供了丰富的内部函数。言提供了丰富的内部函数。3.MATLAB语言界面友好，用户使用方便。语言界面友好，用户使用方便。MATLAB 语言拥有友好的界面与易学易懂语言拥有友好的界面与易学易懂的帮助系统。的帮助系统。4.MATLAB语言具有
14、很强的扩充能力。语言具有很强的扩充能力。5.语句简单，内涵丰富。语句简单，内涵丰富。MATLAB最基本的语句结构是赋值语句，语最基本的语句结构是赋值语句，语句的一般形式为：句的一般形式为：变量名列表变量名列表=表达式表达式6.MATLAB语言具有强大的图形处理和符号语言具有强大的图形处理和符号运算功能。运算功能。7.MATLAB的活笔记本功能的活笔记本功能MATLAB的的Notebook把把Microsift Word与与MATLAB集成为一个整体，为文字处理、科集成为一个整体，为文字处理、科学计算、工程设计构造了一个完美统一的工作学计算、工程设计构造了一个完美统一的工作环境。环境。8.MATLAB功能齐备的自动控制软件工具包功能齐备的自动控制软件工具包控制系统工具箱（控制系统工具箱（Control System Tooolbox）信号处理工具箱（信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）模糊控制工具箱（模糊控制工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）