《MATLAB Simulink與控制系統(tǒng)仿真（第3版）》的課件第1章自動控制系統(tǒng)與仿真概述

1、l1.1 引言l1.2 自動控制系統(tǒng)基本概念l1.3 自動控制系統(tǒng)分類l1.4 控制系統(tǒng)仿真基本概念l1.5 MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真l1.6 MATLAB中控制相關的工具箱自動控制系統(tǒng)與仿真概述l本章描述自動控制系統(tǒng)的基本概念及自動控制系統(tǒng)仿真的基本知識，介紹自動控制系統(tǒng)與仿真的概念、組成、分類以及MATLAB控制系統(tǒng)仿真等基礎知識。l通過本章，讀者對自動控制系統(tǒng)與仿真以及本書的主要內容能有整體的認識。自動控制系統(tǒng)基本概念1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1.2 閉環(huán)控制示意圖 圖1.1 開環(huán)控制示意圖 1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成結構（1）給定環(huán)節(jié)：它是設定被控

2、制量的給定值的裝置。（2）比較環(huán)節(jié)：比較環(huán)節(jié)將所檢測的被控制量和給定量進行比較，確定兩者之間的偏差量。（3）中間環(huán)節(jié)：中間環(huán)節(jié)一般是放大元件，將偏差信號變換成適于控制執(zhí)行機構工作的信號。（4）執(zhí)行機構：一般由傳動裝置和調節(jié)機構組成，執(zhí)行機構直接作用于控制對象，使被控制量達到所要求的數值。（5）控制對象或調節(jié)對象：它是指要進行控制的設備或過程。（6）檢測裝置或傳感器：用于檢測被控制量，并將其轉換為與給定量統(tǒng)一的物理量。通常把比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)和放大環(huán)節(jié)合在一起稱為控制裝置。1.2.3 反饋控制系統(tǒng)品質要求反饋控制系統(tǒng)品質要求反饋控制系統(tǒng)品質要求可以歸結為穩(wěn)、快、準。1穩(wěn)定性穩(wěn)定性對于不同的系統(tǒng)有

3、不同的要求。穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現預定任務。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結構決定，與外界因素無關。2快速性快速性是指對過渡過程的形式和快慢提出的要求，一般稱為動態(tài)性能或暫態(tài)性能。3準確性準確性通常用穩(wěn)態(tài)誤差來表示，所謂穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，輸出量的實際值和期望值之間的誤差。1.3 自動控制系統(tǒng)分類自動控制系統(tǒng)分類l線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)是由線性元件組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特征方程式可以用線性微分方程描述。如果系統(tǒng)微分方程的系數與自變量有關，則為非線性微分方程，由非線性微分方程描述的系統(tǒng)稱為非線性控制系統(tǒng)。l連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)各部分信號均以模擬的連續(xù)函數形式表示

4、；離散系統(tǒng)的某一處或幾處信號是以脈沖序列或數字形式表示的。l恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)l恒值系統(tǒng)要求被控制量保持在恒定值，其給定量是不變。l在隨動系統(tǒng)中，給定量是按照事先不知道的時間函數變化，要求輸出量跟隨給定量的變化而變化。1.4 控制系統(tǒng)仿真基本概念控制系統(tǒng)仿真基本概念l系統(tǒng)仿真作為一種特殊的試驗技術，在20世紀3090年代的半個多世紀中經歷了飛速發(fā)展，到今天已經發(fā)展成為一種真正的、系統(tǒng)的實驗科學。l仿真的基本思想是利用物理的或數學的模型來類比模仿現實過程，以尋求對真實過程的認識，它所遵循的基本原則是相似性原理。1.4.1 計算機仿真基本概念l1 模型模型模型可以分為（1）物理模型。（2）數學模型

5、。（3）仿真模型l2 仿真分類仿真分類從模型角度可分為物理仿真和數學仿真。從計算機類型角度可分為模擬仿真、數字仿真、混合仿真、現代計算機仿真。l3 仿真應用仿真應用l仿真技術有著廣泛的應用，而且應用的深度和廣度也越來越大，目前主要應用在（1）航空與航天工業(yè)。（2）電力工業(yè)。（3）原子能工業(yè)。（4）石油、化工及冶金工業(yè)。（5）非工程領域，如醫(yī)學、社會學、宏觀經濟和商業(yè)策略的研究等l4 仿真技術應用意義仿真技術應用意義l仿真技術的應用具有重要的意義，主要體現在（1）經濟。（2）安全。（3）快捷。（4）具有優(yōu)化設計和預測的特殊功能1.4.2 控制系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)仿真l控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真的一個重要

6、分支，它是一門涉及自動控制理論、計算數學、計算機技術、系統(tǒng)辨識、控制工程以及系統(tǒng)科學的綜合性新型學科。它為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設計以及控制系統(tǒng)的計算機輔助教學等提供了快速、經濟、科學及有效的手段。l控制系統(tǒng)仿真就是以控制系統(tǒng)模型為基礎，采用數學模型替代實際控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對控制系統(tǒng)進行實驗、分析、評估及預測研究的一種技術與方法。l控制系統(tǒng)仿真通過控制系統(tǒng)的數學模型和計算方法，編寫程序運算語句，使之能自動求解各環(huán)節(jié)變量的動態(tài)變化情況，從而得到關于系統(tǒng)輸出和所需要的中間各變量的有關數據、曲線等，以實現對控制系統(tǒng)性能指標的分析與設計。1.4.3 控制系統(tǒng)計算機仿真基本過程控制系

7、統(tǒng)計算機仿真基本過程1.4.4 計算機仿真技術發(fā)展趨勢計算機仿真技術發(fā)展趨勢l（1）硬件方面：基于多CPU并行處理技術的全數字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強數字仿真的實時性。l（2）應用軟件方面：直接面向用戶的數字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術將更深入地應用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機界面、結果輸出、綜合評判等方面達到更理想的境界。l（3）分布式數字仿真：充分利用網絡技術進行分布式仿真，投資少，效果好。l（4）虛擬現實技術：綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、顯示技術以及仿真技術等多學科，使人仿佛置身于真實環(huán)境之中，這就是“仿真”追求的最終目標。1.5 MA

8、TLAB/Simulink下的控制下的控制系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真l控制系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真有兩種途徑：l（1）在MATLAB的命令窗口下，運行M文件，調用指令和各種用于系統(tǒng)仿真的函數，進行系統(tǒng)仿真。l（2）直接在Simulink窗口上進行面向系統(tǒng)結構方框圖的系統(tǒng)仿真1.5.1 MATLAB適合控制系統(tǒng)仿真的特點MATLAB具有以下主要特點，非常適合于控制系統(tǒng)的仿真。l（1）強大的運算功能。l（2）特殊功能的TOOLBOX工具箱。l（3）高效的編程效率。l（4）簡單易學的編程語言。l（5）方便友好的編程環(huán)境。1.5.2 Simulink適合控制系統(tǒng)仿真的特點lSimulink它采用

9、系統(tǒng)模塊直觀地描述系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)，因此可十分方便地建立系統(tǒng)模型而不需要花較多時間編程。正由于這些特點，Simulink廣泛流行，被認為是最受歡迎的仿真軟件。lSimulink實進行系統(tǒng)仿真非常簡單，只需要如下的幾個步驟：l（1）啟動Simulink，進入Simulink窗口；l（2）在Simulink窗口下，借助Simulink模塊庫，創(chuàng)建系統(tǒng)框圖模型并調整模塊參數；l（3）設置仿真參數后，啟動仿真；l（4）輸入仿真結果。1.6 MATLAB中控制相關的工具中控制相關的工具箱箱MATLAB中與控制相關的基礎工具箱主要有6個：l控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）l系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification To