计算机仿真14394.ppt

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1、1,控制系统计算机仿真技术,自动化与电子工程学院自动化教研室,2,控制系统计算机仿真技术 课程简介,1 课程性质及教学目的 控制系统计算机仿真技术是分析、研究、设计控制系统的强有力工具，是从事自动化、控制系统工程、计算机应用技术人员必须掌握的一门新型技术。,3,控制系统计算机仿真技术 课程简介,开设本课程的目的是为了适应当前科技的发展和实际工程应用的需要，为高等学校应用型本科教育的工科机电类控制专业和计算机应用专业的学生提供帮助。,4,使学生能够系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理论及其应用技术， 理解控制原理和系统的分析方法， 掌握计算机仿真的原理及仿真算法， 熟练运用MATLAB和

2、SIMULINK相关软件平台对控制系统进行仿真编程及调试、运行，培养扎实的操作技能，为今后在相关领域的应用打下良好的基础。,控制系统计算机仿真技术 课程简介,5,2. 课程教学安排 总学时：40学时；其中实验：816学时 考试形式：笔试+实践操作 3. 教材特点 以应用技术为主线，按控制与仿真的应用实例进行分析，强化实践能力的锻炼，既掌握计算机控制与仿真应用的基本原理，又对新兴计算机仿真技术有所跟踪。,控制系统计算机仿真技术 课程简介,6,通过各种典型知识及其应用技术的学习，注重培养面向生产一线的应用型人才的专业技能和实用技术，以适应工程技术教育的需要。 教材中的相关概念、理论及应用均以基本要

3、求为主，突出实用的特点；在表达上做到层次清晰，脉络分明，易于理解；在内容的编排上由浅入深，循序渐进，突出重点，通俗易懂。,控制系统计算机仿真技术 课程简介,7,4. 教材的主要模块 自动控制与系统仿真的相关概念和基础知识； 控制系统的微分方程、传递函数、动态结构图、状态空间描述等数学模型； 控制原理和系统性能的时域分析及频域分析法； 计算机控制技术的应用，以常见程序设计、数字PID调节、直接数字控制等内容为主；,控制系统计算机仿真技术 课程简介,8,数值积分法和离散相似法的仿真原理及应用； MATLAB的基本知识及其应用； SIMULINK 交互式仿真和基本操作； 控制系统仿真的应用实例分析。

4、,控制系统计算机仿真技术 课程简介,9,本章主要教学内容 自动控制的基本概念及其应用 开、闭环控制系统的构成和特点 控制系统的分类和总体性能要求 计算机仿真的概念及其特点 系统仿真的分类及仿真过程 计算机仿真技术的应用,第1章,绪论,10,本章教学目的及要求 理解自动控制的基本概念 掌握自动控制系统的组成及分类 掌握计算机仿真的基本概念 熟悉计算机仿真的特点及其应用,第1章,绪论,11,1.1 自动控制的基本概念及其应用 1.1.1 控制理论的发展 1. 经典控制理论 经典控制理论以反馈控制系统的稳定性为目标，主要研究单输入/单输出（SISO）系统。 此类控制系统的分析与设计主要以拉普拉斯（L

5、aplace）变换和Z变换为数学工具，用微分方程、传递函数和结构图等描述系统的动态特性，用时域法、频域响应、根轨迹法来分析研究和设计控制系统。,第1章,绪论,12,经典控制理论特点： （1）本质上是一种频域法，以控制系统的输入/输出特性作为研究的依据，侧重于系统的输出响应性能。 （2）在特定信号作用下对控制系统进行分析并研究系统输出的响应。 （3）系统控制器由能实现典型控制规律的调节器构成，通过校正使控制系统达到预期的响应性能。 （4）经典控制理论的基本内容包括时域法、频域法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何判据以及校正网络的设计等，研究的主要问题是控制系统的稳定性、动态性能和稳态精

6、度，以及改善系统性能的方法。,第1章,绪论,13,2. 现代控制理论 现代控制理论以线性代数为数学工具，用状态空间法来描述系统的内部性能，用零极点配置、最优控制、状态方程等理论来研究和设计控制系统。主要处理多输入/多输出（MIMO）系统的稳定性、能控性、能观测性等问题。,第1章,绪论,14,现代控制理论特点： （1）本质上是一种时域方法，建立在状态变量的基础上以多变量、线性及非线性系统为研究对象。 （2）以状态空间法对系统进行数学描述，并在此基础上进行各种定性和定量的分析以及期望特性的控制规律设计。 （3）以现代数学方法为主要分析手段。 （4）以计算机为主要计算及分析工具。 （5）能够处理复杂

7、非线性、多输入/多输出、参数时变等复杂控制对象。,第1章,绪论,15,第1章,绪论,1.1.2 自动控制的概念及其应用 1. 系统的定义 控制工程中系统定义为：由相互联系、相互作用的物体所形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。 如：一个大型钢铁联合企业可以看作是一个系统，它由相互联系和相互作用的采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧钢、成品制造等工厂有机的组合在一起。,16,2.系统的三要素 如果从系统本身的组成、特点和规律等方面进行评价，一个系统应具备以下三大要素： （1）实体 系统是由一些相互联系的实际物体组合而成的，这些物体称为实体。 如图1-1所示的温度控制系统，由比较器、调节器、加热炉、温度传

8、感器等装置组合而成，这些装置就是实体。,绪论,第1章,17,图1-1 温度控制系统,第1章,绪论,18,（2）属性 组成系统的每个实体都具备一定的特征，这些特征称为系统的属性。图1-1温度控制系统中，温度、偏差值、干扰量、燃料量等就是实体的属性。 （3）活动 在内外部因素的作用下系统会按照一定的规律发生变化，该过程称之为活动。温度控制系统中，以调节电压或燃料的输入量作为主要的活动。,第1章,绪论,19,3. 系统的特性 （1）整体性：系统作为一个整体存在，各组成部分不可分割。 （2）结构性：各类系统均按照一定的内部特性或外部结构组合而成。 （3）相关性：系统内部各物体之间以一定的规律进行相互联

9、系和作用。 （4）历时性：在控制过程中会随着时间的推移，使系统的状态和效果发生变化。 （5）有序性：各实体在变化过程中按照一定的操作顺序进行动作。,第1章,绪论,20,1.1.3 自动控制的任务 1. 基本概念 （1）控制：对被控对象进行主动干预、管理和操纵的过程。 （2）自动控制：采用控制装置有目的地对机器设备或生产过程进行控制并达到预期状态或性能的过程。 （3）自动控制系统：能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的有机整体。,绪论,第1章,21,2自动控制的任务 自动控制的任务就是利用控制装置自动地操纵控制对象，使被控量等于系统所应保持的给定值。 如果系统的输入量以时间函数来表示，输出量以

10、时间函数来表示，则自动控制的任务可以表示为：,第1章,绪论,22,1.1.4 自动控制的基本方式 按照系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统控制方式分为开环控制和闭环控制两大类，开环控制又有按给定值操纵和按干扰值补偿两种方式。 1.按给定值操纵的开环控制 该方式是按照系统的给定值来控制输出量，两者之间一一对应。控制过程如图1-5所示。,第1章,绪论,23,图1-5 按给定值操纵的开环控制系统,绪论,第1章,24,按给定值操纵的开环控制具备以下特点： 信号单向传递。 给定一个输入与之对应一个输出。 控制精度比较低，自身无法纠正内部和外部的干扰影响。 结构简单，成本低，容易实现。 多用于精度

11、要求不高，内外部干扰影响比较小的场合。 例如，自动化流水线、自动售货机、全自动洗衣机等都是采用给定值操纵的开环控制方式。,第1章,绪论,25,绪论,第1章,2.按干扰值补偿的开环控制 该方式中，系统的输入量是外部干扰信号，经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消其对系统产生的影响。其控制过程如图1-7所示。,26,绪论,第1章,图1-7 按干扰补偿的开环控制,27,按干扰值补偿的开环控制具备以下特点： 外部输入的干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递。 在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿。 该方式通常用于系统内外部干扰信号较大且可以测量的场合。

12、例如，机械加工恒速控制装置，电源稳压控制装置等都是按干扰值补偿的开环控制方式。,绪论,第1章,28,3.按偏差调节的闭环控制（反馈控制） 系统输出量反馈到输入端产生偏差后对输出量再进行控制的系统叫做闭环控制系统。 反馈是把系统输出量全部或一部分回送到输入端以增强或减弱输入信号的效应。起增强效应时为正反馈，起减弱效应时为负反馈。正反馈会使系统的偏差越来越大；只有负反馈控制才能完成自动控制的任务。 闭环控制的原理就是通过传感器测量出系统的实际输出值，反馈到输入端与系统的给定值比较产生偏差，再按照偏差的大小自动地加以修正。,第1章,绪论,29,图1-8 按偏差调节的闭环控制,绪论,第1章,30,按偏

13、差调节的闭环控制主要表现在以下两个过程： （1）输入量测量反馈比较环节产生测量偏差； （2）放大环节执行机构消除偏差。 闭环控制系统特点： 信号既可单向传递又有反馈传递，形成闭合回路。 为了得到偏差信号必须采用负反馈。 可自动修正输出量的偏差，并对系统内外部干扰进行补偿。 控制精度较高，使用场合比较广。,第1章,绪论,31,3. 开环控制与闭环控制系统的比较 开环控制 系统结构简单、容易实现，成本低，系统调试方便，但抗干扰能力差，控制精度较低，一般多用于控制过程比较简单、精度要求不高的场合。 闭环控制 系统具有自动纠正偏差的能力，并可对内、外部干扰信号进行补偿，控制精度高，但组成的系统包含元件

14、多、结构复杂，价格也较高，多用于控制精度要求较高，系统结构较复杂的场合。,第1章,绪论,32,1.1.5 对控制系统的性能要求 对控制系统的总体性能要求是： 系统稳定程度高 动态过程平稳性好 动态响应时间短 最终控制精度高 工程上把它归结为稳、快、准三个方面。,绪论,第1章,33,控制原理需要解决的问题和方法： （1）分析系统稳定性与结构、参量之间的对应关系，给出判断系统稳定性的方法。 （2）分析参量与暂态响应的对应关系以及控制规律，提供计算暂态响应性能指标的方法。 （3）指出系统的控制规律、参量与稳态响应之间的关系，给出计算系统稳态误差的方法。 （4）当原有性能不能达到规定的性能指标时，根据

15、需求适当加入校正装置，提供改善系统整体性能的方法和手段。,第1章,绪论,34,1.2 控制系统的组成及分类 1.2.1 控制系统的组成 典型的闭环控制系统如图1-12所示，图中相应控制信号和各类装置、名词术语讨论如下。 图1-12 典型的闭环控制系统结构图,第1章,绪论,35,1. 典型装置及其含义 （1）控制装置G1：能够对被控对象起控制作用的设备总称。 （2）被控对象G2：系统中的控制对象。 （3）反馈环节H：用于检测系统输出状况的测量装置。 （4）比较环节：也称比较元件，系统中进行信号叠加的作用点，以产生偏差信号。,第1章,绪论,36,2. 各类信号及其含义 （1）输入信号r：系统给定值

16、。 （2）输出信号c：系统的输出量。 （3）主反馈信号b：主反馈环节的输出信号。 （4）偏差信号e：输入信号与主反馈信号之差，erb。 （5）控制信号m：控制装置的输出量。 （6）干扰信号n：系统内部和外部的干扰量。,第1章,绪论,37,3. 有关名词术语 （1）前向通道：从输入端到输出端的正向传输通道。 （2）主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道。 （3）主反馈回路：前向通道与主反馈通道所形成的连续传输的闭合回路。 （4）局部反馈回路：信号从前向通道与反馈通道连续传输的闭合回路。 （5）单位反馈系统：当主反馈环节的H=1时，主反馈信号等于输出量的系统。 （6）非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统，此时主反馈环节H1。,第1章,绪论,38,1.2.2 控制系统的分类 1. 按系统的物理特征分类 （1）工程系统 （2）非工程系统 2. 按系统的输出特征分类 （1）随动系统 （2）自动稳定系统 （3）程序控制系统 （4）数字控制系统,第1章,绪论,39,3. 按系统的数学模型分类 （1）线性系统 （2）非线性系统 4.