《《控制系统数字仿真与cad》第0章绪论课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《控制系统数字仿真与cad》第0章绪论课件（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,控制系统数字仿真与CAD,李国勇 谢克明 编著 电子工业出版社,2,绪 论,0.1 仿真技术简介,3,自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、执行器和控制器所组成，当选定测量变送装置和执行器后，对自动控制系统进行设计和分析研究，也就是对被控对象的动态特性进行分析和研究，然后根据被控对象的动态特性进行控制器的设计，以求获得能满足性能指标要求的最优控制系统。,一、仿真的意义,4,在控制器类型确定后，则分析和研究控制系统的主要目的之一是获得控制器的最佳整定参数。 对于比较简单的被控对象，可以在实际系统上进行实验和调整来获得较好的整定参数。,5,但是在实际生产过程中，大部分的被控对象是比较复杂的，
2、并且要考虑安全性、经济性以及进行实验研究的可能性等，这在现场实验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。例如研究导弹飞行、宇航、反应堆控制等系统时，不经模拟仿真实验就进行直接实验，将对人类的生命和健康带来很大的危险，这时，就需要把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究，简称仿真。,6,二、仿真的定义,仿真-就是用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究,7,三、仿真所遵循的基本原则,是相似原理，即 几何相似 环境相似 性能形似,8,四、仿真的分类,依据相似原理仿真可分为： * 物理仿真 * 数学仿真 * 混合
3、仿真,9,1.物理仿真,物理仿真-就是应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小或较大的物理模型（例如飞机模型放在气流场相似的风洞中）进行实验研究。,10,2.数学仿真,数学仿真-是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行研究。它由软硬件仿真环境、动画、图形显示、输出打印设备等组成。,11,3.混合仿真,混合仿真又称数学物理仿真，它是为了提高仿真的可信度或者针对一些难以建模的实体，在系统研究中往往把数学仿真、物理仿真和实体结合起来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中有部分实物介入的混合仿真也称为半实物仿真或者半物理仿真。,12,4.物理仿真与数学仿真的比较,在仿真研究中，数
4、学仿真只要有一台数学仿真设备（如计算机等），就可以对不同的控制系统进行仿真实验和研究，而且，进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是受控系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。 而物理仿真则需要进行大量的设备制造、安装、接线及调试工作。 数学仿真实验所需的时间比物理仿真大大缩短，实验数据的处理也比物理仿真简单的多。,13,5.计算机仿真,由于数学仿真的主要工具 是计算机，因此数学仿真一般 又称为“计算机仿真”。,14,由于计算机仿真能够为许多实验提供方便、灵活的“活的数学模型”，因此，凡是可以用模型进行实验的，几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统本身的各种特性，选择最佳参数和设计最合
5、理的系统方案。所以随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越多地取代纯物理仿真。,15,五、仿真过程,第一步：根据仿真目的确定仿真方案 根据仿真目的确定相应的仿真结构和方法，规定仿真的边界条件与约束条件。 第二步：建立系统的数学模型 对于简单的系统，可以通过某些基本定律来建立数学模型。而对于复杂的系统，则必须利用实验方法通过系统辩识技术来建立数学模型。数学模型是系统仿真的依据，所以，数学模型的准确性是十分重要。,16,第三步：建立仿真模型 即通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化处理，就连续系统言，就是建立相应的差分方程。 第四步：编制仿真程序 对于非实时仿真，可用一般高级语言或仿真语言。对于快
6、速的实时仿真，往往需要用汇编语言。 第五步：进行仿真实验并输出仿真结果 通过实验对仿真系统模型及程序进行校验和修改，然后按系统仿真的要求输出仿真结果。,17,18,通常将实际系统抽象为数学模型称之为一次模型化，它涉及到系统辩识技术问题，又称为建模问题。 将数学模型转化为可以在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，它涉及到仿真编程、运行、修改参数等技术，又称为系统仿真技术。,19,0.2 计算机仿真技术的发展概况,仿真硬件的发展 仿真软件的发展,20,一、硬件的发展,40年代出现了模拟计算机，这时的计算机大都是用来设计飞机的专用计算机。 50年代初，出现了通用的模拟计算机。 50年代末，数字
7、计算机有了很大发展，加上这时期在微分方程数值解的理论方面又有很大的发展，所以在几种高级语言（如FORTRAN，ALGOL等）出现以后，在50年代末期，数字计算机便在非实时仿真方面开始得到广泛的应用。,21,1958年为满足高速动态系统仿真的要求，出现了第一台专用的模拟/数字混合计算机，它是用来解决导弹轨迹的计算问题。 60年代初期，出现了混合计算机商品。 近年以来，由于计算机技术的飞速发展，数字计算机已有可能解决高速动态系统的实时仿真问题，所以模拟/数字混合计算机将被数字计算机所取代。,22,二、仿真软件的发展,近四十年来，仿真软件充分吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形/图像、多媒体、软件工
8、程、系统工程、自动控制、人工智能等技术成果，从而得到了很大发展。 仿真软件也从初期的机器代码，经历较高级的编程语言，面向问题描述的仿真语言，发展到模块化概念，并进而发展到面向对象编程，图形化模块编程等。,23,人机环境也由初期的图形支持，到动画，交互式仿真，进一步发展到矢量的图形支持，并向虚拟现实发展，仿真软件的发展基本经历了以下五个阶段。 （1）通用程序设计语言：1960年左右的FORTRAN，以及具有适应并行处理功能的Ada,C+等语言。,24,（2）初级仿真语言阶段: 19601970年间面向框图的MIDAS；面向大型连续系统的仿真规范的CSSL(Continuous System Si
9、mulation Language)；CSMP(Continuous System Modeling Program)；基于差分方程模型的DYNAMO(Dynamic Models)；基于离散事件的SIMLIB 和CSL(Control and simulation Language)；还有以过程为基础的通用仿真系统GPSS(General purpose Simulation System)等。,25,（3） 高级仿真语言阶段: 19701980年间商用的连续系统仿真语言SSLIV、DAREP、ACSL,以及离散事件系统仿真语言GPSSIV、SIMCRIP和SLAM等。 （4）一体化建模与仿
10、真环境软件: 如美国Pritsket于1989年推出的TESS，它是具有数据库,而且能将数据存储与检索，脚本仿真/数据采集，数据分析报告和图形生成，脚本动画，网络模型输入，运行控制，数据管理等八个部分组成一体化仿真软件环境。,26,（5）智能化仿真软件环境: 它于80年代后期问世，由一体化仿真软件环境，专家系统，智能接口等组成并具有知识库、模型库、方法库、实验程序库和数据库，该软件充分利用了FORTRAN、C、Ada、LISP等语言的优良特性。,到目前为止，已形成了许多各具特色的仿真语言。其中美国Mathworks软件公司的动态仿真集成软件Simulink与该公司著名的MATLAB软件集成在一
11、起，成为当今最具影响力的控制系统应用软件。,27,0.3 计算机仿真技术的应用,计算机仿真已被广泛应用于各个领域，它在系统研究中的重要性在于它不仅经济而且安全可靠。通过仿真研究可以预测系统的特性以及外界干扰的影响，从而可以对制订控制方案和控制决策提供定量依据。,工程系统 非工程系统,28,一、工程系统,如控制系统的设计、分析和研究；电力系统的可靠性研究；化工流程的模拟；造船、飞机、导弹等研制过程。,29,二、非工程系统,如用于研究社会经济、人口、污染、生物、医学系统等。 由于其应用广泛及卓有成效，在国际上成立国际仿真联合会（International Association for Mathe
12、matic and Computer in Simulation-IAMCS）。,30,三、新的研究热点,(1)面向对象的仿真方法，从人类认识世界的模式出发提供更自然直观的系统仿真框架； (2)分布式交互仿真通过计算机网络实现交互操作，构造时空一致合成的仿真环境,可对复杂、分布、综合的系统进行实时仿真；,31,(3)定性仿真以非数字手段处理信息输入、建模、结果输出，建立定性模型； (4)人机和谐的仿真环境，发展可视化仿真、多媒体仿真和虚拟现实等。这些新技术、新方法必将孕育着仿真方法的新突破。,32,四、当前仿真研究的前沿课题,主要有仿真与人工智能技术的结合、分布式仿真与仿真模型的并行处理、图形
13、与动画仿真、建模环境与仿真支持系统等。 控制系统的仿真是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性科学。,33,0.4 基于MATLAB的控制系统仿真的现状,34,1.是目前国际控制界最流行的仿真语言,MATLAB语言由于使用极其方便、且提供了丰富的矩阵处理功能，所以很快引起了控制理论领域研究人员的高度重视，并在此基础上开发了控制理论与CAD和图形化模块化设计方法相结合的控制系统仿真工具箱，目前它已成为国际控制界最流行的仿真语言。,35,2.设计控制系统,MATLAB语言除可以进行传统的交互式编程来设计控制系统以外，可以调用它的控制系统工具箱来设计控制系统。许多控制界的使用者还结合自己的研究领域将擅长的CAD方法与MATLAB结合起来，制作了大量的控制系统工具箱，如:,36,控制系统工具箱 系统辨识工具箱 鲁棒控制工具箱 多变量频域设计工具箱 分析与校正工具箱 神经网络工具箱 最优化工具箱 模糊控制工具箱等 可以说伴随着控制理论的不断发展和完善，MATLAB的工具箱也在不断的增加和完善。,37,MATLAB已不仅是一般的编程工具，而是作为一种控制系统的设计平台出现的。,今天，MATLAB的用户团体几乎遍及西方各主要大学，公司和政府研究部门，其应用也已遍及现代科学和技术的方方面面。,
