控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真1

1、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 第一章第一章 緒論緒論 第二章第二章 MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第三章第三章 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真 第四章第四章 控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì) 參考書：參考書： 系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)，黃文梅，黃文梅， 國防科技大學(xué)出版社，國防科技大學(xué)出版社，2001年年 MATLAB入門叢書入門叢書參考書目參考書目數(shù)值方法數(shù)值方法（高數(shù)、數(shù)（高數(shù)、數(shù)值計(jì)算方法）值計(jì)算方法）系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程（建模技術(shù)）（建模技術(shù)）控制理論控制理論（傳遞函數(shù)、（傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程、方框圖）狀態(tài)方程、方框圖）計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)（編程）（編程） 仿真

2、技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一門綜合性、新技術(shù)學(xué)科仿真技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一門綜合性、新技術(shù)學(xué)科, ,它為對系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、設(shè)計(jì)、決策等提供了先進(jìn)的手段。它為對系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、設(shè)計(jì)、決策等提供了先進(jìn)的手段。 在科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中，由于受到客觀條件（如經(jīng)濟(jì)、在科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐中，由于受到客觀條件（如經(jīng)濟(jì)、安全、時(shí)間等）的限制，常常不能對所研究的對象直接進(jìn)行試安全、時(shí)間等）的限制，常常不能對所研究的對象直接進(jìn)行試驗(yàn)。在這種情況下，可以采用間接試驗(yàn)的方法，即驗(yàn)。在這種情況下，可以采用間接試驗(yàn)的方法，即建立一個與建立一個與所研究系統(tǒng)相似的模型，通過模型間接地研究原系統(tǒng)所研究系統(tǒng)相似的模型，

3、通過模型間接地研究原系統(tǒng)。這種間。這種間接試驗(yàn)技術(shù)就是仿真技術(shù)。接試驗(yàn)技術(shù)就是仿真技術(shù)。比如，工程界：比如，工程界： 生物、醫(yī)學(xué)界：生物、醫(yī)學(xué)界： 軍事界：軍事界：前前 言言追擊敵機(jī)問題追擊敵機(jī)問題 已知：敵機(jī)在已知：敵機(jī)在100KM100KM高空，以高空，以20KM/min20KM/min的速度勻速直線行駛。的速度勻速直線行駛。 假設(shè)：（假設(shè)：（1 1）只要兩機(jī)相距在）只要兩機(jī)相距在1010公里之內(nèi)，我機(jī)就可以摧毀敵機(jī)；公里之內(nèi)，我機(jī)就可以摧毀敵機(jī)； （2 2）如果）如果1010分鐘之內(nèi)沒有捕捉到，就認(rèn)為失敗。分鐘之內(nèi)沒有捕捉到，就認(rèn)為失敗。 問：我方飛機(jī)應(yīng)以怎樣的速度，沿著什么航線飛行，需

4、要多長時(shí)問：我方飛機(jī)應(yīng)以怎樣的速度，沿著什么航線飛行，需要多長時(shí)間可捕捉到目標(biāo)。比如我機(jī)以間可捕捉到目標(biāo)。比如我機(jī)以30KM/min30KM/min的速度，每的速度，每1 1分鐘改變一次方分鐘改變一次方向，能不能捕捉到？我機(jī)以向，能不能捕捉到？我機(jī)以40KM/min40KM/min的速度，每的速度，每2 2分鐘改變一次方向，分鐘改變一次方向，能不能捕捉到？能不能捕捉到？ MATLAB程序vd=20;vw=30;time=1; % % 我機(jī)以我機(jī)以30KM/min的速度的速度,每每1分鐘改變一次方向分鐘改變一次方向i=1;ts=0;xw=0;yw=0;t(1)=0;W(1,:)=0 0;D(1,

5、:)=0 100;xd=0;while 1 i=i+1; theta=atan(100-yw)/(xd-xw); % % 計(jì)算我機(jī)的方向計(jì)算我機(jī)的方向 ctheta=cos(theta); stheta=sin(theta); global A A=vw*ctheta vw*stheta; T,Y=ode45(plane,ts,ts+time,xw,yw); % % 計(jì)算我機(jī)的位置計(jì)算我機(jī)的位置 n=length(Y); W(i,:)=Y(n,:); t(i)=ts+time; xd=vd*(ts+time); % % 計(jì)算敵機(jī)的位置計(jì)算敵機(jī)的位置 D(i,1)=xd; D(i,2)=100;

6、 xw=Y(n,1); yw=Y(n,2); Displace=sqrt(xd-xw)*(xd-xw)+(100-yw)*(100-yw); % % 計(jì)算兩者距離計(jì)算兩者距離 if Displace10 disp(fail); break endendfigure(1)plot(W(:,1),W(:,2),g+,W(:,1),W(:,2),r,D(:,1),D(:,2),bo);我機(jī)以我機(jī)以30KM/min30KM/min的速度的速度, ,每每1 1分鐘改變一次方向分鐘改變一次方向,6,6分鐘可捕捉到敵機(jī)分鐘可捕捉到敵機(jī)我機(jī)以我機(jī)以40KM/min40KM/min的速度的速度, ,每每2 2分

7、鐘改變一次方向分鐘改變一次方向, ,不能捕捉到敵機(jī)不能捕捉到敵機(jī)我機(jī)以我機(jī)以40KM/min40KM/min的速度的速度, ,每每1.31.3分鐘改變一次方向分鐘改變一次方向, , 能捕捉到敵機(jī)能捕捉到敵機(jī) 第一章第一章 緒論緒論 1-1 1-1 系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)、模型與仿真 一、系統(tǒng)（一、系統(tǒng)（SystemSystem） 二、模型（二、模型（ModelModel） 三、仿真（三、仿真（SimulationSimulation） 1-2 1-2 計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真 一、計(jì)算機(jī)仿真的過程、步驟一、計(jì)算機(jī)仿真的過程、步驟 二、計(jì)算機(jī)仿真的分類二、計(jì)算機(jī)仿真的分類 三、計(jì)算機(jī)仿真的意義三、計(jì)算

8、機(jī)仿真的意義 四、系統(tǒng)仿真的應(yīng)用及發(fā)展四、系統(tǒng)仿真的應(yīng)用及發(fā)展 五、仿真軟件五、仿真軟件 1-3 1-3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真1-11-1系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)、模型與仿真 一、系統(tǒng)（一、系統(tǒng)（SystemSystem） 1 1定義定義 所謂所謂“系統(tǒng)系統(tǒng)”是指相互聯(lián)系又相互作用著的對象的有機(jī)組是指相互聯(lián)系又相互作用著的對象的有機(jī)組合。該組合體可以完成某項(xiàng)任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)某個預(yù)定的目標(biāo)。合。該組合體可以完成某項(xiàng)任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)某個預(yù)定的目標(biāo)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 1）整體性整體性：系統(tǒng)由許多要素組成，各個組成部分是不可分割的。：系統(tǒng)由許多要素組成，各個組成部分是不可分割的。2 2）相關(guān)性相關(guān)性：系

9、統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互以一定規(guī)律聯(lián)系著。：系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互以一定規(guī)律聯(lián)系著。3 3）層次性層次性：系統(tǒng)可以分解為一系列的子系統(tǒng)，并存在一定的層：系統(tǒng)可以分解為一系列的子系統(tǒng)，并存在一定的層次結(jié)構(gòu)。次結(jié)構(gòu)。4 4）目的性目的性：系統(tǒng)具有某種目的，要達(dá)到既定的目的，系統(tǒng)必須：系統(tǒng)具有某種目的，要達(dá)到既定的目的，系統(tǒng)必須具有一定的功能（如控制、調(diào)節(jié)和管理的功能）。具有一定的功能（如控制、調(diào)節(jié)和管理的功能）。 2 2分類分類 通常，根據(jù)系統(tǒng)的物理特征，可將系統(tǒng)分為兩大類：通常，根據(jù)系統(tǒng)的物理特征，可將系統(tǒng)分為兩大類： 例如，下圖所示的加熱爐溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是一個工程系統(tǒng)。例如，下圖所示的加熱爐溫度調(diào)

10、節(jié)系統(tǒng)就是一個工程系統(tǒng)。系統(tǒng)系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程系統(tǒng)（如：電氣、機(jī)械、機(jī)電、化工、熱力等）（如：電氣、機(jī)械、機(jī)電、化工、熱力等）非工程系統(tǒng)非工程系統(tǒng)（如：經(jīng)濟(jì)、交通、管理、生態(tài)等）（如：經(jīng)濟(jì)、交通、管理、生態(tài)等）比較器比較器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器加熱爐加熱爐溫度計(jì)溫度計(jì)溫度溫度擾動擾動溫度給定值溫度給定值溫度偏差溫度偏差噴油量噴油量 下圖所示的工廠系統(tǒng)則是一個經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)下圖所示的工廠系統(tǒng)則是一個經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)非工程系統(tǒng)。非工程系統(tǒng)。 3 3構(gòu)成系統(tǒng)的三大要素：實(shí)體、屬性、活動構(gòu)成系統(tǒng)的三大要素：實(shí)體、屬性、活動生產(chǎn)管理部門生產(chǎn)管理部門采購部門采購部門制造車間制造車間裝配車間裝配車間運(yùn)輸車間運(yùn)輸車間原料原料成

11、品成品用戶訂單用戶訂單實(shí)體實(shí)體組成系統(tǒng)的具體對象。組成系統(tǒng)的具體對象。屬性屬性實(shí)體的特性。實(shí)體的特性。活動活動對象隨對象隨 時(shí)間推移而發(fā)生的狀態(tài)變化。時(shí)間推移而發(fā)生的狀態(tài)變化。二、模型（二、模型（ModelModel） 1 1定義定義 所謂所謂“模型模型”就是對系統(tǒng)的一種客觀描述，它通常是真實(shí)就是對系統(tǒng)的一種客觀描述，它通常是真實(shí)系統(tǒng)的一種簡化。系統(tǒng)的一種簡化。 2 2模型的作用模型的作用 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的兩種方式：直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行（通常系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的兩種方式：直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行（通常都不采用，因?yàn)槎疾徊捎?，因?yàn)椋┰谀Ｐ蜕线M(jìn)行（在模型上做實(shí)驗(yàn)是對系統(tǒng)進(jìn)）在模型上進(jìn)行（在模型上做實(shí)驗(yàn)是對系統(tǒng)

12、進(jìn)行分析、研究的十分有效的手段。）行分析、研究的十分有效的手段。） 3 3模型的分類模型的分類模型模型物理模型物理模型：是根據(jù)相似原理把實(shí)際系統(tǒng)加以縮小或：是根據(jù)相似原理把實(shí)際系統(tǒng)加以縮小或放大的復(fù)制品。放大的復(fù)制品。數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：是用數(shù)學(xué)的形式對一個系統(tǒng)的（行為、：是用數(shù)學(xué)的形式對一個系統(tǒng)的（行為、特征）的描述，保持了模型與原型之間信息傳遞規(guī)特征）的描述，保持了模型與原型之間信息傳遞規(guī)律的相似。律的相似。三、仿真（三、仿真（Simulation） 1 1仿真的定義仿真的定義 從廣義上來說，為了對系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，首先建立系從廣義上來說，為了對系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，首先建立系統(tǒng)的模型，然后在模

13、型上進(jìn)行試驗(yàn)這一過程就稱為統(tǒng)的模型，然后在模型上進(jìn)行試驗(yàn)這一過程就稱為“仿真仿真”。 2. 2. 根據(jù)模型的種類不同，系統(tǒng)仿真可以分成三種：根據(jù)模型的種類不同，系統(tǒng)仿真可以分成三種： 物理仿真物理仿真：建立物理模型，并在物理模型上進(jìn)行試驗(yàn)：建立物理模型，并在物理模型上進(jìn)行試驗(yàn) 優(yōu)點(diǎn)：直觀、形象優(yōu)點(diǎn)：直觀、形象 缺點(diǎn)：發(fā)費(fèi)大、周期長、結(jié)構(gòu)難于缺點(diǎn)：發(fā)費(fèi)大、周期長、結(jié)構(gòu)難于變更變更 數(shù)學(xué)仿真數(shù)學(xué)仿真：簡而言之，就是：簡而言之，就是在計(jì)算機(jī)上對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模在計(jì)算機(jī)上對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)型進(jìn)行試驗(yàn)，故又稱為，故又稱為“計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真”。（具體過程、步驟在。（具體過程、步驟在后面講解）后面講解

14、） 優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、方便、靈活性大優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)、方便、靈活性大 混合仿真混合仿真：將數(shù)學(xué)模型及物理模型或?qū)嵨锫?lián)合在一起進(jìn)：將數(shù)學(xué)模型及物理模型或?qū)嵨锫?lián)合在一起進(jìn)行試驗(yàn)。行試驗(yàn)。 綜上所述，系統(tǒng)、模型與仿真之間有著十分密切的關(guān)系。綜上所述，系統(tǒng)、模型與仿真之間有著十分密切的關(guān)系。 仿真仿真是研究系統(tǒng)的一種試驗(yàn)方法，它包含兩個過程：是研究系統(tǒng)的一種試驗(yàn)方法，它包含兩個過程：建立模型及對模型進(jìn)行試驗(yàn)。建立模型及對模型進(jìn)行試驗(yàn)。模型模型對系統(tǒng)的描述；對系統(tǒng)的描述；系統(tǒng)系統(tǒng)被研究的對象；被研究的對象；1-2 1-2 計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真 一、計(jì)算機(jī)仿真的過程、步驟一、計(jì)算機(jī)仿真的過程、步驟 計(jì)算機(jī)仿真的整個過

15、程可用下圖的流程圖說明。計(jì)算機(jī)仿真的整個過程可用下圖的流程圖說明。是程序問是程序問題嗎？題嗎？系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)模型建立系統(tǒng)模型建立仿真模型建立仿真模型建立仿真程序設(shè)計(jì)仿真程序設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析數(shù)據(jù)處理、分析滿足要求否？滿足要求否？是仿真模是仿真模型問題嗎？型問題嗎？修改程序修改程序修改仿真模型修改仿真模型修改系統(tǒng)模型修改系統(tǒng)模型N NN NN NY YY YY Y圖圖2 21 1 計(jì)算機(jī)仿真過程流程圖計(jì)算機(jī)仿真過程流程圖明確系統(tǒng)，確定需要仿真明確系統(tǒng)，確定需要仿真的問題的問題。建立數(shù)學(xué)模型（即一次簡化建立數(shù)學(xué)模型（即一次簡化模型），比如微分方程組模型），比如微分方程組設(shè)計(jì)一種算法，

16、使數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)一種算法，使數(shù)學(xué)模型能為計(jì)算機(jī)接受，并能在計(jì)能為計(jì)算機(jī)接受，并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行（即建立二次簡算機(jī)上運(yùn)行（即建立二次簡化模型化模型)用算法語言加以描述，即編用算法語言加以描述，即編寫程序。寫程序。BASIC, FORTRAN, C, MATLAB)運(yùn)行仿真程序，在不同的初運(yùn)行仿真程序，在不同的初始條件和參數(shù)下，對系統(tǒng)進(jìn)始條件和參數(shù)下，對系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)地研究和分析行反復(fù)地研究和分析總結(jié)得到系統(tǒng)的性能評價(jià)總結(jié)得到系統(tǒng)的性能評價(jià)驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)是驗(yàn)證仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)是否一致否一致 系統(tǒng)系統(tǒng)模型模型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)模型模型建立建立仿真仿真試驗(yàn)試驗(yàn) 仿真模型建立仿真模型建立圖圖2 22 2

17、 系統(tǒng)、模型與計(jì)算機(jī)的關(guān)系系統(tǒng)、模型與計(jì)算機(jī)的關(guān)系 計(jì)算機(jī)仿真包括三個要素，即計(jì)算機(jī)仿真包括三個要素，即系統(tǒng)系統(tǒng)、模型模型與與計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)； 聯(lián)系這三個要素的有三個基本活動：聯(lián)系這三個要素的有三個基本活動：模型建立模型建立、仿真模型仿真模型建立建立及及仿真試驗(yàn)仿真試驗(yàn)。 圖圖2 22 2表示了三要素及三個基本活動之間的關(guān)系。表示了三要素及三個基本活動之間的關(guān)系。二、計(jì)算機(jī)仿真的分類二、計(jì)算機(jī)仿真的分類 1 1根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征可以分為兩大類：根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征可以分為兩大類： 連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真數(shù)學(xué)模型能用一組數(shù)學(xué)方程式來數(shù)學(xué)模型能用一組數(shù)學(xué)方程式來描述描述 離散事件系統(tǒng)仿真離散事件

18、系統(tǒng)仿真數(shù)學(xué)模型一般很難用數(shù)學(xué)方數(shù)學(xué)模型一般很難用數(shù)學(xué)方程來描述，通常是用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖來描述。程來描述，通常是用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖來描述。 二、計(jì)算機(jī)仿真的分類二、計(jì)算機(jī)仿真的分類 2 2根據(jù)所用計(jì)算機(jī)的類型可以分為如下三類：根據(jù)所用計(jì)算機(jī)的類型可以分為如下三類： 模擬計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算機(jī)仿真基于數(shù)學(xué)模型相似原理，仿真主要工基于數(shù)學(xué)模型相似原理，仿真主要工具是模擬計(jì)算機(jī)具是模擬計(jì)算機(jī), ,其核心的運(yùn)算部分由我們熟知的其核心的運(yùn)算部分由我們熟知的“模擬運(yùn)算放模擬運(yùn)算放大器大器”為主要部件所構(gòu)成。為主要部件所構(gòu)成。 特點(diǎn)：運(yùn)算速度快（并行計(jì)算），但計(jì)算精度較低（一般特點(diǎn)：運(yùn)算速度快（并行計(jì)算），但計(jì)

19、算精度較低（一般為千分之幾），而且自動化程度低（如：有時(shí)需操作員去接為千分之幾），而且自動化程度低（如：有時(shí)需操作員去接線）。線）。 數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真基于數(shù)值計(jì)算原理，仿真主要工具是基于數(shù)值計(jì)算原理，仿真主要工具是數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)。 特點(diǎn)：計(jì)算精度高（一般小型機(jī)也可達(dá)到特點(diǎn)：計(jì)算精度高（一般小型機(jī)也可達(dá)到6 67 7位有效數(shù)位有效數(shù)字），但運(yùn)算速度較慢（串行運(yùn)算）。字），但運(yùn)算速度較慢（串行運(yùn)算）。 模擬模擬數(shù)字仿真數(shù)字仿真將模擬仿真與數(shù)字仿真相結(jié)合的一種將模擬仿真與數(shù)字仿真相結(jié)合的一種方法。方法。 特點(diǎn)：兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)時(shí)仿真，但價(jià)格昂貴。特點(diǎn)：兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，可用

20、于實(shí)時(shí)仿真，但價(jià)格昂貴。三、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義三、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義 經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì) 安全安全經(jīng)濟(jì)性考慮是采用仿真技術(shù)的十分重要的原因經(jīng)濟(jì)性考慮是采用仿真技術(shù)的十分重要的原因。對一個大。對一個大型系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用物理模型或直接在實(shí)物上試驗(yàn)，成型系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用物理模型或直接在實(shí)物上試驗(yàn)，成本十分昂貴。以空間技術(shù)為例，單次飛行的成本約為本十分昂貴。以空間技術(shù)為例，單次飛行的成本約為10104 410108 8美元，采用數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真的方法，僅需實(shí)際飛美元，采用數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真的方法，僅需實(shí)際飛行成本的行成本的1/101/5 ，而且設(shè)備可以重復(fù)使用?？梢哉f，而且設(shè)備可以重復(fù)使用?？梢哉f，幾乎所有的大型

21、發(fā)展項(xiàng)目，都十分重視仿真技術(shù)的應(yīng)用，幾乎所有的大型發(fā)展項(xiàng)目，都十分重視仿真技術(shù)的應(yīng)用，這是因?yàn)檫@些項(xiàng)目投資很大，有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，而仿真技術(shù)這是因?yàn)檫@些項(xiàng)目投資很大，有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，而仿真技術(shù)的應(yīng)用可以減小風(fēng)險(xiǎn)。的應(yīng)用可以減小風(fēng)險(xiǎn)。對于某些系統(tǒng)，如載人宇宙飛行器、核電站等，直接試對于某些系統(tǒng)，如載人宇宙飛行器、核電站等，直接試驗(yàn)往往是危險(xiǎn)和不允許的，因此必須在模型上進(jìn)行試驗(yàn)。驗(yàn)往往是危險(xiǎn)和不允許的，因此必須在模型上進(jìn)行試驗(yàn)。安全性考慮一直是采用仿真技術(shù)的最主要原因安全性考慮一直是采用仿真技術(shù)的最主要原因。所以，。所以，航空、航天、武器系統(tǒng)曾經(jīng)是仿真技術(shù)應(yīng)用的最主要領(lǐng)航空、航天、武器系統(tǒng)曾經(jīng)是仿真技術(shù)

22、應(yīng)用的最主要領(lǐng)域，一直到現(xiàn)在仍然占有很大的比重。域，一直到現(xiàn)在仍然占有很大的比重。三、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義三、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義 預(yù)測性預(yù)測性 在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)），由在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實(shí)驗(yàn)幾乎不可能。利于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實(shí)驗(yàn)幾乎不可能。利用仿真則可預(yù)測系統(tǒng)的特性和外作用的影響，從而研用仿真則可預(yù)測系統(tǒng)的特性和外作用的影響，從而研究控制的策略，可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識。究控制的策略，可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識。 快捷快捷提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。

23、四、四、系統(tǒng)仿真的應(yīng)用及發(fā)展系統(tǒng)仿真的應(yīng)用及發(fā)展 用于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)用于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)v 在一個新的系統(tǒng)未建立之前，運(yùn)用系統(tǒng)仿真技術(shù)可以論證在一個新的系統(tǒng)未建立之前，運(yùn)用系統(tǒng)仿真技術(shù)可以論證系統(tǒng)及其可行性，為準(zhǔn)確地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；系統(tǒng)及其可行性，為準(zhǔn)確地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；v 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，利用仿真技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，利用仿真技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)；系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)；v 系統(tǒng)建成后，利用仿真技術(shù)可以分析系統(tǒng)工作的狀況，選系統(tǒng)建成后，利用仿真技術(shù)可以分析系統(tǒng)工作的狀況，選擇最佳運(yùn)行參數(shù)和策略。擇最佳運(yùn)行參數(shù)和策略。四、四、系統(tǒng)仿真的

24、應(yīng)用及發(fā)展系統(tǒng)仿真的應(yīng)用及發(fā)展 在社會、經(jīng)濟(jì)、人口、生態(tài)等非工程系統(tǒng)中，用于系在社會、經(jīng)濟(jì)、人口、生態(tài)等非工程系統(tǒng)中，用于系統(tǒng)的政策與策略研究統(tǒng)的政策與策略研究 近年來，已采用控制論的觀點(diǎn)去研究社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)近年來，已采用控制論的觀點(diǎn)去研究社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)和大系統(tǒng)。研究的方法是：首先建立數(shù)學(xué)模型，境等復(fù)雜系統(tǒng)和大系統(tǒng)。研究的方法是：首先建立數(shù)學(xué)模型，然后利用仿真軟件在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)、分析然后利用仿真軟件在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)計(jì)算、試驗(yàn)、分析和比較，以求得該系統(tǒng)的最佳運(yùn)行機(jī)制以及切實(shí)可行的策略。和比較，以求得該系統(tǒng)的最佳運(yùn)行機(jī)制以及切實(shí)可行的策略。 用于人員訓(xùn)練

25、用于人員訓(xùn)練 如：飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器；電站操作人如：飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器；電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)；核電站仿真器用來訓(xùn)練操作人員以及研究員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)；核電站仿真器用來訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理異常故障的排除處理5050年代以前：物理仿真年代以前：物理仿真5050年代：主要是模擬計(jì)算機(jī)仿真，數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真剛剛開年代：主要是模擬計(jì)算機(jī)仿真，數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真剛剛開 始發(fā)展始發(fā)展60607070年代：數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真與模擬年代：數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真與模擬數(shù)字仿真都得到迅數(shù)字仿真都得到迅 速發(fā)展速發(fā)展8080年代以來：數(shù)字仿真技術(shù)得到普及年代以來：數(shù)字仿真技術(shù)得到普及未

26、來的發(fā)展趨勢：改善建模環(huán)境；未來的發(fā)展趨勢：改善建模環(huán)境； 開發(fā)仿真數(shù)據(jù)庫；開發(fā)仿真數(shù)據(jù)庫； 在仿真中應(yīng)用動畫圖形技術(shù)；在仿真中應(yīng)用動畫圖形技術(shù)； 研制專家系統(tǒng)；研制專家系統(tǒng)； 五、數(shù)字五、數(shù)字仿真軟件的發(fā)展仿真軟件的發(fā)展 自自19551955年第一個仿真軟件問世以來，按照新事物出現(xiàn)的時(shí)間順年第一個仿真軟件問世以來，按照新事物出現(xiàn)的時(shí)間順序，發(fā)展分為四個階段：序，發(fā)展分為四個階段： 1 1） 程序編制階段；程序編制階段； 采用計(jì)算機(jī)高級語言（如采用計(jì)算機(jī)高級語言（如FORTRANFORTRAN、BASICBASIC、C C等），即使是一個很簡單等），即使是一個很簡單的系統(tǒng)，程序也會很長，難于調(diào)

27、試。的系統(tǒng)，程序也會很長，難于調(diào)試。 2 2） 程序軟件包階段；程序軟件包階段； 出現(xiàn)了出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫應(yīng)用子程序庫”，將仿真程序中常用的程序段落編成子程序或，將仿真程序中常用的程序段落編成子程序或過程，用于系統(tǒng)仿真的各種不同問題中。過程，用于系統(tǒng)仿真的各種不同問題中。 3 3） 專用計(jì)算機(jī)仿真語言階段；專用計(jì)算機(jī)仿真語言階段； 將一大類仿真問題，編寫一個通用的主程序，用戶只需將必要的參數(shù)填將一大類仿真問題，編寫一個通用的主程序，用戶只需將必要的參數(shù)填進(jìn)去，經(jīng)執(zhí)行就能得到所需結(jié)果。（如連續(xù)系統(tǒng)仿真語言進(jìn)去，經(jīng)執(zhí)行就能得到所需結(jié)果。（如連續(xù)系統(tǒng)仿真語言CSSLCSSL、離散事件系、離散事件系

28、統(tǒng)仿真語言統(tǒng)仿真語言GPSSGPSS） 4 4） 模塊化圖形組態(tài)階段；模塊化圖形組態(tài)階段； 如：機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件如：機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMSADAMS, ,控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MATLABMATLABADAMS1-3 1-3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 一、控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)一、控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) （CSCAD-Control System Computer Aided DesignCSCAD-Control System Computer Aided Design） n早期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)早期的

29、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)算出來，如算出來，如 Ziegler 與與 Nichols 于于1942年提出的年提出的 PID 經(jīng)驗(yàn)公式就可以十分容易地設(shè)計(jì)出來。經(jīng)驗(yàn)公式就可以十分容易地設(shè)計(jì)出來。n隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計(jì)算隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計(jì)算器等簡單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之器等簡單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 方法。方法。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)CADCAD技術(shù)是對復(fù)雜控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和技術(shù)是對復(fù)

30、雜控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的重要方法和手段。在進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與綜設(shè)計(jì)的重要方法和手段。在進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與綜合的過程中，除了要進(jìn)行理論分析外，還要對系統(tǒng)的合的過程中，除了要進(jìn)行理論分析外，還要對系統(tǒng)的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究系統(tǒng)的固有的動態(tài)特性，驗(yàn)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究系統(tǒng)的固有的動態(tài)特性，驗(yàn)算設(shè)計(jì)的控制器能否達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，這個過程算設(shè)計(jì)的控制器能否達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，這個過程是是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)修改設(shè)計(jì)再實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)修改設(shè)計(jì)再實(shí)驗(yàn)的過程。的過程。 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。了相當(dāng)高的水平

31、，并一直受到控制界的普遍重視。早在早在19821982年年12 12 月和月和1984 1984 年年12 12 月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國際月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國際上最權(quán)威的上最權(quán)威的IEEEIEEE控制系統(tǒng)學(xué)會的控制系統(tǒng)雜志控制系統(tǒng)學(xué)會的控制系統(tǒng)雜志(Control (Control Systems Magazine)Systems Magazine)和和IEEEIEEE學(xué)會的科研報(bào)告集學(xué)會的科研報(bào)告集(Proceedings of IEEE)(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關(guān)于控制系統(tǒng)分別第一次出版了關(guān)于控制系統(tǒng)CADCAD的?？膶？陙?，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)

32、展，各類控制系近三十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類控制系統(tǒng)統(tǒng)CAD CAD 軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB MATLAB 語言出現(xiàn)以來，語言出現(xiàn)以來，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計(jì)算機(jī)語言，成為控制界學(xué)者最流行、最有影響的通用計(jì)算機(jī)語言，成為控制界學(xué)者的首選。的首選。 二、控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真二、控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 所謂控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是所謂控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)對控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行實(shí)模型為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)

33、對控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)研究。 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一個部分。這一過程包括：的一個部分。這一過程包括：建立數(shù)學(xué)模型；建立數(shù)學(xué)模型；根據(jù)性能指標(biāo)和控制算法編程求解控制器參數(shù)；根據(jù)性能指標(biāo)和控制算法編程求解控制器參數(shù)；對系統(tǒng)校正前后進(jìn)行仿真，并驗(yàn)證控制器的實(shí)際控制對系統(tǒng)校正前后進(jìn)行仿真，并驗(yàn)證控制器的實(shí)際控制效果；效果；修改控制器參數(shù)或結(jié)構(gòu)，直到仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求修改控制器參數(shù)或結(jié)構(gòu)，直到仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求 MATLAB MATLAB 作為主要程序設(shè)計(jì)語言來介紹控制系統(tǒng)作為主要程序設(shè)計(jì)語言來介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔

34、助設(shè)計(jì)的算法，可以使研究者將主要精計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的算法，可以使研究者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費(fèi)在沒有太大價(jià)值的底層重復(fù)性機(jī)械性勞精力花費(fèi)在沒有太大價(jià)值的底層重復(fù)性機(jī)械性勞動上，這樣可以對控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)動上，這樣可以對控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有較好的整體了解，避免有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林只見樹木，不見森林”的認(rèn)識偏差，提高控制器設(shè)計(jì)的效率和可靠性。的認(rèn)識偏差，提高控制器設(shè)計(jì)的效率和可靠性。子曰子曰: :“工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器”。跟蹤國際最。跟蹤國際最先進(jìn)的先進(jìn)的 控制

35、系統(tǒng)控制系統(tǒng)CADCAD軟件環(huán)境及發(fā)展，以當(dāng)前國軟件環(huán)境及發(fā)展，以當(dāng)前國際上最流行的控制系統(tǒng)際上最流行的控制系統(tǒng)CADCAD軟件環(huán)境軟件環(huán)境MATLABMATLAB為基為基本出發(fā)點(diǎn)來系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)本出發(fā)點(diǎn)來系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及軟件實(shí)現(xiàn)，從而大大提高控制系統(tǒng)技術(shù)及軟件實(shí)現(xiàn)，從而大大提高控制系統(tǒng)CADCAD算算法研究與實(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性，這是本課程法研究與實(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性，這是本課程的一個主要目的。的一個主要目的。小結(jié)：小結(jié)：1系統(tǒng)、模型與仿真系統(tǒng)、模型與仿真2仿真、計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）、數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）、數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真仿真3仿

36、真、實(shí)際系統(tǒng)、解析法三者的比較仿真、實(shí)際系統(tǒng)、解析法三者的比較下表列出了利用下表列出了利用實(shí)際系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)或利用或利用解析方法解析方法和利用和利用仿真技術(shù)仿真技術(shù)的比較的比較仿真技術(shù)仿真技術(shù)實(shí)際系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)解析方法解析方法可能性可能性只要能建立系統(tǒng)模只要能建立系統(tǒng)模型就能進(jìn)行型就能進(jìn)行系統(tǒng)尚未建立，則不可能；系統(tǒng)尚未建立，則不可能；有的自然系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)周期太有的自然系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)周期太長，也不可能長，也不可能有的系統(tǒng)無法建有的系統(tǒng)無法建立解析模型，因立解析模型，因此不可能利用解此不可能利用解析方法析方法安全性安全性無危險(xiǎn)無危險(xiǎn)有危險(xiǎn)（人身、設(shè)備）有危險(xiǎn)（人身、設(shè)備）無危險(xiǎn)無危險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性花費(fèi)不多花費(fèi)不

37、多費(fèi)用很大費(fèi)用很大花費(fèi)不多花費(fèi)不多耗時(shí)性耗時(shí)性中等中等長長短短準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性可以做到準(zhǔn)確可以做到準(zhǔn)確十分準(zhǔn)確十分準(zhǔn)確要做較多假設(shè)，要做較多假設(shè)，因此有較大誤差因此有較大誤差方便性方便性可以做到可以做到 十分方便十分方便 受現(xiàn)場限制，很不方便受現(xiàn)場限制，很不方便方便方便 可見，仿真技術(shù)在可能性、安全性、準(zhǔn)確性、方便性可見，仿真技術(shù)在可能性、安全性、準(zhǔn)確性、方便性方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)性、耗時(shí)性方面不如解析方法。方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)性、耗時(shí)性方面不如解析方法。 因此因此: 在可能采用解析法并允許有一定誤差時(shí)宜采用在可能采用解析法并允許有一定誤差時(shí)宜采用解析方法解析方法； 在要求十分準(zhǔn)確或建模有

38、一定困難時(shí)宜采用在要求十分準(zhǔn)確或建模有一定困難時(shí)宜采用實(shí)際系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)； 其他情況應(yīng)盡量采用其他情況應(yīng)盡量采用系統(tǒng)仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真技術(shù)。 Virtual RealityVirtual Reality（虛擬現(xiàn)實(shí)）（虛擬現(xiàn)實(shí)）是人工構(gòu)造的，存在于是人工構(gòu)造的，存在于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境計(jì)算機(jī)內(nèi)部的環(huán)境。用戶應(yīng)該能夠以自然的方式與這個環(huán)境交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的交互（包括感知環(huán)境并干預(yù)環(huán)境），從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。真實(shí)環(huán)境中的虛幻感，沉浸感，身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Real

39、ity(Virtual Reality，VR)VR)系統(tǒng)包括系統(tǒng)包括人類操作者人類操作者、人機(jī)接口人機(jī)接口和和計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念虛擬現(xiàn)實(shí)的概念 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用最多的專用設(shè)備是頭盔式立體顯示器頭盔式立體顯示器和和數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套。于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的。于是，有人以使用這些專用設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的標(biāo)志。這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。上述的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，是在計(jì)標(biāo)志。這種觀點(diǎn)是不準(zhǔn)確的。上述的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域。這個新領(lǐng)域算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互方面開創(chuàng)的全新的學(xué)科領(lǐng)域。這個新領(lǐng)域的發(fā)展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點(diǎn)有待解決。的發(fā)展，還有很多困難，有很多技術(shù)難點(diǎn)有待解決。 當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。頭盔式立體顯示器當(dāng)前，這一領(lǐng)域還只是走出了第一步。頭盔式立體顯示器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬顯示設(shè)備。和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，只是當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一部分虛擬