计算机仿真技术第1章

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1、自动控制系统计算机仿真授课教师：联系电话：办公地址：第1章 自动控制系统仿真概述自动控制系统仿真是一门新兴的技术学科。它是对自动控 制系统进行分析、设计与综合研究的一种重要手段。目前，MATLAB为全世界自动控制领域最为流行的设计与 仿真软件。自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的 工程技术及科研人员所必须掌握的一门技术。Matlab:Matlab:1.1 自动控制系统简介在控制工程中，系统的定义为：一个系统是由相互联系、 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。 无人驾驶机 机器人自动控制系统的定义：在没有人直接参与的情况下，利用 外加的设备或装置（控制器），使

2、机器、设备或生产过程 （被控对象）的工作状态和参数（被控量）自动地按照预 定的规律运行。 自动控制系统框图自动控制系统框图例如，一个电动机的转速控制系统使转速保持在设例如，一个电动机的转速控制系统使转速保持在设 定值上而不受负载波动的影响，就是一个自动控制定值上而不受负载波动的影响，就是一个自动控制 系统。系统。 自动控制系统的模型是对该控制系统的特征与变化规律的 一种定量抽象表示，是人们为了认识事物所采用的一种手 段。通常有以下几种模型：（1）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。（2）数学模型：用数学方程、结构图来描述系统特性的 模型。 传递函数模型（3）数学模型

3、和物理模型相结合的模型（半实物模型） 自动控制系统建模通常包括以下内容：（1）确定控制系统模型的结构，建立系统的约束条件， 确定系统的属性与运动；（2）测取模型数据；（3）运用相关领域的理论建立系统的数学描述；由于自动控制系统的数字仿真是以该系统的数学模型为基 础的，仿真结果的可信度在很大程度上取决于系统建模的 准确程度。可见，系统建模至关重要，它在很大程度上决 定了数字仿真实验的成败。 在MATLAB/Simulink环境下，通常建模的过程会变得十分 方便快捷和真实准确。仿真结果也更加可信。 1.2 自动控制系统仿真的基本概念1.2.1 仿真的定义自动控制系统的计算机仿真是指以数字计算机为主

4、要工具 ，编写并且运行反映真实的自动控制系统运行状况的程序 。对计算机输出的信息进行分析和研究， 从而对系统性 能进行评价。系统仿真所依据的理论是相似性原理。即：真实系统与它 的数学模型和仿真模型在某种意义上是相似的。 1.2.2 自动控制系统仿真的分类1. 按照仿真模型的属性分类：物理仿真；数学仿真；数学-物理仿真。2. 按系统状态的时间连续性分类 ：连续系统；离散事件系统。1.2.3 自动控制系统仿真的过程 1. 建立控制系统的数学模型根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、 化学基本定律，列写变量间的数学表达式以建立系统的 数学模型。2. 建立自动控制系统的仿真模型 为自动控制系

5、统所建立的数学模型，通常是用微分方程 、差分方程、传递函数、状态方程，或者是Simulink 模型 。3. 在计算机上进行仿真实验并输出仿真结果1.3 仿真技术在控制系统设计中的应用及其 重要意义1.3.1 自动控制系统简介1.3.2 仿真技术与CAD在自动控制系统设计中的重要意义 经典控制理论主要研究单输入单输出（SISO）系统，所涉 及的系统大多是线性定常系统。控制系统设计主要依赖于 图解法 。常用方法包括频率特性法和根轨迹法等。现代控制理论可以用来解决多输入多输出（MIMO）系统 的问题，系统可以是线性的或非线性的，定常的或时变的 。其主要的研究方法是状态空间法。掌握自动控制系统仿真与C

6、AD技术是当今控制系统工程师 必须具有的基本技能。否则，就会被时代所淘汰。1.3.3 仿真技术的在自动控制系统设计中的应用现状和发展趋势1、向更加广阔的时空发展 2、向模型更加准确方向发展 3、向虚拟现实技术发展向高技术智能化一体化方向发展 1.4 MATLAB语言及其在控制系统设计中的 应用MATLAB是由美国的Math Works公司推出的一个科技 应用软件。MATLAB最显著的特点就是：功能强大、易学易用。 它通常被称为演算纸式的科学工程计算语言。目前，MATLAB已经成为国际上最为流行的科学与工 程计算软件之一。以其模块化的计算方法、可视化与智能 化的人机交互功能、丰富的矩阵运算、图形

7、绘制和数据处 理函数，以及它所附带的模块化图形组态的动态系统仿真 工具Simulink，MATLAB已经成为控制系统设计和仿真领 域最受欢迎的软件。一、MATLAB语言的发展matlab语言是由美国的Clever Moler博士于1980年 开发的。设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵 运算问题。取名MATLAB即Matrix Laboratory 矩阵实验室的意 思。*1.4MATLAB语言及其在控制系统设计中的应用MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了， 它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并 提供了丰富的Windows图形界面设计方法。MATLAB语言是功能强大的计算机高

8、级语言, 它 以超群的风格与性能风靡全世界, 成功地应用于 各工程学科的研究领域。*MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计 算机语言之一 (C, FORTRANFormula Translation的 缩写，意为“公式翻译”, ASSEMBLER汇编语言, MATLAB)。近年来，MATLAB语言已在我国推广使用，现在 已应用于各学科研究部门和许多高等院校。MATLAB语言不受计算机硬件的影响，286以上的 计算机都可以使用。*20世纪80 年代初期，由 Cleve Moler 和 John Little采用 C 语言 改写了MATLAB 的内核。成立了 Mathworks 软件开发公

9、司，并 于1984 年将 MATLAB 正式推向市场。 1992年初推出了应用于 Windows 的 MATLAB 4.0 版本。 1994年初推出了Matlab 4.2 1997年推出 5.1 版本。 1998年推出 5.2 版本。 1999年推出 MATLAB 5.3 版本(Release 11) 2000年又推出了更为简便易学的 MATLAB 6.0 版本(Release 12) 2003年推出Matlab6.5.1 (Release 13) 2004年推出Matlab7.0 (Release 14) 2007年3月1日发布Matlab 2007a(支持多核操作) 2008年10月9日发

10、布MATLAB 2008b 2009年9月4日Matlab R2009b 2010年3月5日发布了Matlab R2010a(Matlab7.10)二、matlab的应用领域 工业研究与开发 数学教学，特别是线性代数 数值分析和科学计算方面的教学与研究 电子学、控制理论和物理学等工程和学科方面的教学与研究 经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究*例、用简短命令计算并绘制在0x6范围内的sin(2x) 、sinx2、sin2x。x=linspace(0,6) y1=sin(2*x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2; plot(x,y1,x, y2,x, y3

11、) 阶梯图*用四种方法描述cos(x)*sin(y)图形*二、MATLAB语言的特点 语言简洁紧凑，语法限制不严，程序设计自由度大，可移植性好 运算符、库函数丰富 图形功能强大 界面友好、编程效率高 扩展性强*三、MATLAB语言的功能强大的数值（矩阵）运算功能广泛的符号运算功能高级与低级兼备的图形功能（计算结果的可视化 功能）可靠的容错功能应用灵活的兼容与接口功能信息量丰富的联机检索功能*1.1.矩阵运算功能矩阵运算功能MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算的处理工具。 变量 矩阵，运算 矩阵的运算 例如 C = A + B ，A,B,C都是矩阵,是矩阵的加 运算 即使一个

12、常数，Y=5，MATLAB也看做是一个11的矩阵2.符号运算功能符号运算即用字符串进行数学分析允许变量不赋值而参与运算用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、二重积分、有理函数、微分方程、泰乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号解.* 3.3.丰富的绘图功能与计算结果的可视化丰富的绘图功能与计算结果的可视化具有高层绘图功能两维、三维绘图具有底层绘图功能句柄绘图使用plot函数可随时将计算结果可视化* 4.4.图形化程序编制功能图形化程序编制功能动态系统进行建模、仿真和分析的软件包用结构图编程，而不用程序编程只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能。* 5.5.丰富的丰富的MATLABMATLA

13、B工具箱工具箱 MATLAB主工具箱 符号数学工具箱 SIMULINK仿真工具箱 控制系统工具箱 信号处理工具箱 图象处理工具箱 通讯工具箱 系统辨识工具箱 神经元网络工具箱 金融工具箱*许多学科，在MATLAB中都有专用工具箱，现已有30多个工具箱，但MATLAB语言的扩展开发还远远没有结束，各学科的相互促进，将使得MATLAB更加强大.6.MATLAB的兼容功能 可与C语言、FORTURE语言跨平台兼容用函数CMEX、FMEX实现此功能不推荐使用*7.MATLAB的容错功能非法操作时，给出提示，并不影响其操作。比如：1/0Warning: Divide by zeroans =Inf8.MATLAB8.MATLAB的开放式可扩充结构的开放式可扩充结构 matlab 所有函数都是开放的 用户可按自己意愿随意更改 正因为此功能，使得matlab的应用越来越广 泛*9.强大的联机检索帮助系统 可随时检索matlab函数 可随时查询matlab函数的使用方法 help 功能提供matlab大部分主题的在线帮助信息 help 显示help 主题一览表 help plotxyz 显示有关三维做图指令帮助信息 help 显示特殊字符与符号帮助信息 help help 显示help 的帮助信息虚拟仿真自动控制系统第一章 结束 作业：P5 1-3谢谢