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1、MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第3版） 电子工业出版社 出版 2012.1,作者：王正林 王胜开等 联系邮箱：wa_,本书8年的发展历程,第1版，2005.7月出版 第2版，2008.7月出版 第3版，2012.1月出版,1.1 引言 1.2 自动控制系统基本概念 1.3 自动控制系统分类 1.4 控制系统仿真基本概念 1.5 MATLAB/Simulink下的控制系统仿真 1.6 MATLAB中控制相关的工具箱,第 1章 自动控制系统与仿真概述,内容提要,本章描述自动控制系统的基本概念及自动控制系统仿真的基本知识，介绍自动控制系统与仿真的概念、组成、分类以及MATLAB控制系
2、统仿真等基础知识。 通过本章，读者对自动控制系统与仿真以及本书的主要内容能有整体的认识。,1.2自动控制系统基本概念,1.2.1 开环控制系统与闭环控制系统,图1.2 闭环控制示意图,图1.1 开环控制示意图,1.2.2 闭环控制系统组成结构,（1）给定环节：它是设定被控制量的给定值的装置。 （2）比较环节：比较环节将所检测的被控制量和给定量进行比较，确定两者之间的偏差量。 （3）中间环节：中间环节一般是放大元件，将偏差信号变换成适于控制执行机构工作的信号。 （4）执行机构：一般由传动装置和调节机构组成，执行机构直接作用于控制对象，使被控制量达到所要求的数值。 （5）控制对象或调节对象：它是指
3、要进行控制的设备或过程。 （6）检测装置或传感器：用于检测被控制量，并将其转换为与给定量统一的物理量。 通常把比较环节、校正环节和放大环节合在一起称为控制装置。,1.2.3 反馈控制系统品质要求,反馈控制系统品质要求可以归结为稳、快、准。 1稳定性 稳定性对于不同的系统有不同的要求。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预定任务。稳定性通常由系统的结构决定，与外界因素无关。 2快速性 快速性是指对过渡过程的形式和快慢提出的要求，一般称为动态性能或暂态性能。 3准确性 准确性通常用稳态误差来表示，所谓稳态误差是指系统达到稳态时，输出量的实际值和期望值之间的误差。,1.3 自动控制系统分
4、类,线性系统和非线性系统 线性控制系统是由线性元件组成的系统，该系统的特征方程式可以用线性微分方程描述。 如果系统微分方程的系数与自变量有关，则为非线性微分方程，由非线性微分方程描述的系统称为非线性控制系统。 连续系统和离散系统 连续系统各部分信号均以模拟的连续函数形式表示；离散系统的某一处或几处信号是以脉冲序列或数字形式表示的。 恒值系统和随动系统 恒值系统要求被控制量保持在恒定值，其给定量是不变。 在随动系统中，给定量是按照事先不知道的时间函数变化，要求输出量跟随给定量的变化而变化。,1.4 控制系统仿真基本概念,系统仿真作为一种特殊的试验技术，在20世纪3090年代的半个多世纪中经历了飞
5、速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的实验科学。 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，以寻求对真实过程的认识，它所遵循的基本原则是相似性原理。,1.4.1 计算机仿真基本概念,1 模型 模型可以分为（1）物理模型。（2）数学模型。（3）仿真模型 2 仿真分类 从模型角度可分为物理仿真和数学仿真。 从计算机类型角度可分为模拟仿真、数字仿真、混合仿真、现代计算机仿真。 3 仿真应用 仿真技术有着广泛的应用，而且应用的深度和广度也越来越大，目前主要应用在（1）航空与航天工业。（2）电力工业。（3）原子能工业。（4）石油、化工及冶金工业。（5）非工程领域，如医学、社会学、宏
6、观经济和商业策略的研究等 4 仿真技术应用意义 仿真技术的应用具有重要的意义，主要体现在（1）经济。（2）安全。（3）快捷。（4）具有优化设计和预测的特殊功能,1.4.2 控制系统仿真,控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门涉及自动控制理论、计算数学、计算机技术、系统辨识、控制工程以及系统科学的综合性新型学科。它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及控制系统的计算机辅助教学等提供了快速、经济、科学及有效的手段。 控制系统仿真就是以控制系统模型为基础，采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验、分析、评估及预测研究的一种技术与方法。 控制系统仿真通过控制系统的数
7、学模型和计算方法，编写程序运算语句，使之能自动求解各环节变量的动态变化情况，从而得到关于系统输出和所需要的中间各变量的有关数据、曲线等，以实现对控制系统性能指标的分析与设计。,1.4.3 控制系统计算机仿真基本过程,1.4.4 计算机仿真技术发展趋势,（1）硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。 （2）应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。 （3）分布式数字仿真：充分利用网络技术进行分布式仿真，投资少，效
8、果好。 （4）虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人仿佛置身于真实环境之中，这就是“仿真”追求的最终目标。,1.5 MATLAB/Simulink下的控制系统仿真,控制系统的MATLAB/Simulink仿真有两种途径： （1）在MATLAB的命令窗口下，运行M文件，调用指令和各种用于系统仿真的函数，进行系统仿真。 （2）直接在Simulink窗口上进行面向系统结构方框图的系统仿真,1.5.1 MATLAB适合控制系统仿真的特点,MATLAB具有以下主要特点，非常适合于控制系统的仿真。 （1）强大的运算功能。 （2）特殊功能的TOOLBO
9、X工具箱。 （3）高效的编程效率。 （4）简单易学的编程语言。 （5）方便友好的编程环境。,1.5.2 Simulink适合控制系统仿真的特点,Simulink它采用系统模块直观地描述系统典型环节，因此可十分方便地建立系统模型而不需要花较多时间编程。正由于这些特点，Simulink广泛流行，被认为是最受欢迎的仿真软件。 Simulink实进行系统仿真非常简单，只需要如下的几个步骤： （1）启动Simulink，进入Simulink窗口； （2）在Simulink窗口下，借助Simulink模块库，创建系统框图模型并调整模块参数； （3）设置仿真参数后，启动仿真； （4）输入仿真结果。,1.6 MATLAB中控制相关的工具箱,MATLAB中与控制相关的基础工具箱主要有6个： 控制系统工具箱（Control System Toolbox） 系统辨识工具箱（System Identification Toolbox） 模型预测控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox） 鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox） 神经网络工具箱（Neural Network Toolbox） 模糊逻辑工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）,
