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1、国家级精品课程 控制系统仿真与CAD 第一章 控制系统计算机辅助设计概述 东北大学信息学院 薛定宇 第一章 控制系统计算机仿真 与辅助设计概述 n本章主要内容 n控制系统计算机辅助设计概述 n计算机辅助设计语言环境概述 n仿真语言发展概述 nMATLAB语言及工具箱概述 n控制系统计算机辅助设计新方法 Date2 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 控制系统计算机辅助设计技术 与计算机工具的发展综述 n自动化（控制）学科的定位与地位 n戴先中，高教出版社, 2003：自动化科学作为一 门学科起源于 20 世纪初，自动化科学与技术的 基础理论来自于物理学等自然科学和数学、系 统科学、社会科学等
2、基础科学，在现代科学技 术的发展中有着重要的地位，起着重要的作用 n何毓琦（Doyle J C，48th CDC大会报告，2000） ：控制将是 21 世纪的物理学（Control will be the physics of the 21st century） Date3 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n最早的控制器设计方法 n1942 Ziegler & Nichols的PID控制器整定经验公式 n利用查表和简单乘除法运算即可设计控制器 n现在仍用，效果不佳 n控制性能要求的日益增加、计算机技术的飞 速发展催生了“控制系统计算机辅助设计”技 术（computer-aided con
3、trol systems design， CACSD，或CADCS） n国际控制界学者的关注 nIEEE Proceedings、IEEE Control Systems Magazine n各种控制领域会议上的CACSD专题 Date4 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 1.1 CACSD计算机工具走向 n第一阶段：Algo、BASIC、Fortran、C等底层语言 n第二阶段：197？-198？软件包阶段 n利用底层语言开发专用 nMelsa & Jones：McGraw-Hill，1973 nKarl Astrom： INTRAC（IDPAC、MODPAC、SYNPAC 、POLPA
4、C 等，及仿真语言 SIMNON） nCLADP（Cambridge linear analysis and design programs） nNASA Armstrong：ORACLS（optimal regulator algorithms for the control of linear systems） n孙增圻、袁曾任：清华大学出版社，1988及早期讲义 n韩京清等：自然科学基金重大项目：CACSDC Date5 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n第三阶段：198?- 交互式计算机语言 n1980 Cleve Moler，MATLAB n Jack Little 等人研制的
5、 CTRL-C nBoeing公司的 EASY 5 及 EASY5x nIntegrated Systems 公司的 Matrix-X 及 Xmath nSystems Technology Incorporated 公司的 CC nVisual Simulation 公司的VisSim、O-Matrix n韩国汉城国立大学权旭铉教授的 CemTool n免费软件 Octave、Scilab等 n或多或少受MATLAB影响，语句相似 Date6 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n交互式语言阶段的另一种尝试：软件集成 n1984年，美国Spang III 教授 nSIMNON、CLADP、
6、IDPAC nSSDP（state space design program） n各个组成软件之间靠读写文件的方式来传递数据 n1986年，英国UMIST的ECSTASY（environment for control system theory and synthesis nHoward H Rosenbrock、 Neil Munro主持 nMATLAB、ACSL、TSIM、Mathematica nLATEX、FrameMaker等排版软件（语言） nPC不兼容。SUN工作站上运行 Date7 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n集成软件的意义与局限性 n有很好的历史意义，但未得到普
7、及 n原来每个软件自身的封闭性导致不易沟通 n后来每个软件自身的发展扩展了功能 nMATLAB的仿真环境Simulink nMATLAB的符号运算功能 nMATLAB与Mathematica、Maple等的接口 nMATLAB的LaTeX输出 n第四阶段：199?- (Smalltalk,1972) n面向对象（object-oriented）的设计技术 nMATLAB语言就是一种面向对象的语言 Date8 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 1.2 仿真软件的发展概述 n仿真语言阶段 n国际仿真委员会（Simulation Councils Inc.，SCi ） n1967年 仿真语言 C
8、SMP（computer simulation modelling program） n中科院沈阳自动化研究所马纪虎研究员在 1988 年推出了该语言的推广版本CSMP-C nMitchell and Gauthier Associates公司 n ACSL（advanced continuous simulation language ） nKarl Astrom 教授主持开发的 SIMNON n英国Salford大学的ESL仿真语言 Date9 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n图形化建模与仿真阶段 nMATLAB 下的 Simulink nScilab 配套的 Scicos n其他
9、领域的建模工具如 PSpice n多领域物理建模与仿真阶段 nMATLAB/Simulink n在一个框架下实现机、电、磁、控制等建 nSimScape仿真语言 nModelica nMATLAB 已经使得它成为自动控制、航空 航天、汽车设计、通信等诸多领域仿真的 首选语言 Date10 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 1.3 MATLAB/Simulink 与 CACSD 工具箱简介 nMATLAB 简史 n史前的EISPACK和LINPACK软件包 nCleve Moler构思了并开发了MATLAB，1980 nMatrix Laboratory，免费交流版本 n用一个语句求解线性代
10、数问题 eig(A)、绘图功能 n用 Fortran 语言编写了集命令翻译、科学计算于一身的一套交 互式软件系统 Date11 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 nMATLAB版本演化 nC Moler、Jack Little建立了The MathWorks Inc n1984年第一个商品版本，用C改写全部代码 nPC-MATLAB for DOS、Pro-MATLAB n1990年，MATLAB 3.5i是第一个可以运行于 Microsoft Windows的版本，两个窗口 n稍后推出的SimuLAB，1992年改名Simulink n1992年MATLAB 4.0：Windows编程
11、n1994，MATLAB 4.2，支持图形用户界面编程 n1996年，MATLAB 5.0，新数据结构如类、对象 、单元数组，支持面向对象的编程 Date12 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n1999 年MATLAB 5.3，全新最优化工具箱和 Simulink 3 n2000 年，MATLAB 6.0，在操作界面上有了很大改观，抛 弃了LINPACK、EISPACK，改用更具优势的 LAPACK 软 件包和 FFTW 系统，速度变得更快，数值性能也更好 n2004 年，MATLAB 7.0 版：多领域物理建模仿真策略 nMathWorks 公司每年在 3 月和 9 月分别推出 a 版
12、和 b 版， 2008a的符号运算功能达到顶峰 n2012年9月，MATLAB 2012b暨8.0版，全新的界面，强大 的仿真功能、更多的工具箱 n建议观看：Cleve Moler在中国演讲的视频 nYouku下搜索：cleve moler 同济 n2012 IEEE计算机学会先驱奖 n对计算机数值运算与MATLAB发展的全面回顾 Date13 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 MATLAB在控制领域的应用 n丰富可靠的矩阵运算、科学运算、图形绘制、数据处理、 建模仿真等功能 n工具箱开发良性循环 n著名控制学者参与：Alan Laub、Michael Sofanov、Leonard Lj
13、ung、 Jan Maciejowski等，增加了工具箱的信誉 n控制系统工具箱（Control System Toolbox） n系统辨识工具箱（System Identification Toolbox） n鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）、 n多变量频域设计工具箱（Multivariable Frequency Design Toolbox） n神经网络工具箱（Neural Network Toolbox） n最优化工具箱（Optimization Toolbox） n信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox） n易于使用，如Bod
14、e图：bode(G) n掌握MATLAB，可以自行开发出自己擅长领域的工具箱 Date14 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 1.4 控制系统计算机辅助设计方法概述 n早期的Ziegler-Nichols方法，查表、简单计算 n频域设计方法 n多变量系统频域设计方法： n英国学派FRSs：Rosenbrock、MacFarlane、Mayne nJohn Edmunds 多变量参数最优化控制方法 nZakian 不等式方法 (method of inequalities) n定量反馈理论： nIssac Horowitz 1973，(quantitative feedback theory
15、， QFT) n状态空间方法 n线性二次型最优控制、极点配置、LQG/LTR Date15 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 n鲁棒控制 n1981，Zames 提出的最小灵敏度控制策略 n基于范数的最优控制 n线性矩阵不等式（linear matrix inequalities，LMI ） n 分析与综合等控制系统设计方法 nPID控制器的自整定方法 n智能控制 n自适应控制：在线辨识和调整控制器参数 n模糊逻辑控制器、仿人控制、神经网络控制等 n分数阶控制：非整数阶微积分在控制中应用 Date16 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 1.5 MATLAB版本选择及学习方法 n2008a的符号运算工具箱是目前的最高水平 n2008b以后用MuPAD取代Maple引擎，运算能力和扩展 运算能力弱化很多，兼容性不好 n建议使用2008a 32位版处理公式推导 n2012b是最新版本，其他功能更强大，仿真功能也 更强大，建议采用 n每年三月、九月推出新版本（a、b版） n建议安装32位版，否则可能部分内容无法执行 n本书大部分对版本依赖性不强 n如何学习MATLAB语言 n带着问题学，活学活用，学用结合，急用先学，立竿 见影 ，要在用字上狠下功夫 Date17 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
