控制系統(tǒng)仿真

1、控制系統(tǒng)仿真課程任務課程任務 通過本課程的學習，初步掌握當前流行的通過本課程的學習，初步掌握當前流行的演算式演算式MATLAB語言的基本知識，結合所學語言的基本知識，結合所學課程自動控制原理，學會運用課程自動控制原理，學會運用MATLAB語言進行控制系統(tǒng)仿真和輔助設計的基本技語言進行控制系統(tǒng)仿真和輔助設計的基本技能，為今后從事科學研究打下較好的基礎。能，為今后從事科學研究打下較好的基礎。第第1章章 控制系統(tǒng)及仿真概述控制系統(tǒng)及仿真概述 控制系統(tǒng)仿真是近控制系統(tǒng)仿真是近20年來發(fā)展起來的一年來發(fā)展起來的一門新興技術學科。它已成為對控制系統(tǒng)進行門新興技術學科。它已成為對控制系統(tǒng)進行分析、設計和綜合

2、研究中一種很有效的手段。分析、設計和綜合研究中一種很有效的手段。特別是在計算機高度發(fā)達的今天，所研究設特別是在計算機高度發(fā)達的今天，所研究設計的控制系統(tǒng)日益復雜化，控制任務多樣化，計的控制系統(tǒng)日益復雜化，控制任務多樣化，而控制要求也越來越高，利用計算機來進行而控制要求也越來越高，利用計算機來進行仿真實驗和研究，以及進一步進行計算機控仿真實驗和研究，以及進一步進行計算機控制就成為從事控制及相關行業(yè)的工程技術人制就成為從事控制及相關行業(yè)的工程技術人員所必須掌握的一項技術。員所必須掌握的一項技術。 1.1自動控制系統(tǒng)的廣泛應用自動控制系統(tǒng)的廣泛應用 1.1.1 電力拖動自動控制系統(tǒng)的應用電力拖動自動

3、控制系統(tǒng)的應用 1.1.2 工業(yè)生產過程自動控制系統(tǒng)的應用工業(yè)生產過程自動控制系統(tǒng)的應用 1.2 控制系統(tǒng)計算機仿真的基本概念控制系統(tǒng)計算機仿真的基本概念 1.2.1 控制系統(tǒng)計算機仿真控制系統(tǒng)計算機仿真 控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性新型學論、計算數學與計算機技術的綜合性新型學科。以下介紹幾個有關系統(tǒng)計算機仿真的概科。以下介紹幾個有關系統(tǒng)計算機仿真的概念。念。 系統(tǒng)：不同的領域對于系統(tǒng)的含義有不同的系統(tǒng)：不同的領域對于系統(tǒng)的含義有不同的解釋。在控制工程中，系統(tǒng)的定義為：物質解釋。在控制工程中，系統(tǒng)的定義為：物質世界

4、中相互制約又相互聯系著的、以期實現世界中相互制約又相互聯系著的、以期實現某種目的的一個運動整體。如果系統(tǒng)用于自某種目的的一個運動整體。如果系統(tǒng)用于自動控制，則稱之為自動控制系統(tǒng)。動控制，則稱之為自動控制系統(tǒng)。 模型：是對所要研究的系統(tǒng)在某些特定方面模型：是對所要研究的系統(tǒng)在某些特定方面的抽象。分為物理模型和數學模型兩種。的抽象。分為物理模型和數學模型兩種。 數學模型分為機理模型、統(tǒng)計模型和混合模數學模型分為機理模型、統(tǒng)計模型和混合模型。型。溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng) 系統(tǒng)仿真：是以系統(tǒng)數學模型為基礎，以系統(tǒng)仿真：是以系統(tǒng)數學模型為基礎，以計算機為工具對系統(tǒng)進行實驗研究的一種計算機為工具對系統(tǒng)進行

5、實驗研究的一種方法方法。 仿真的基本思想是利用物理的或數學的模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程的認識。它所遵循的基本原則是相似性原理。原理。 試驗的方案有兩種：試驗的方案有兩種： 一種是直接在真實系統(tǒng)上進行。一種是直接在真實系統(tǒng)上進行。 另一種則是按真實系統(tǒng)的另一種則是按真實系統(tǒng)的“樣子樣子”構造一個構造一個模型，在模型上進行。模型，在模型上進行。 1. 按仿真模型的種類劃分按仿真模型的種類劃分 （1）物理仿真）物理仿真 （2）數學仿真）數學仿真 （3）數學）數學-物理仿真物理仿真

6、（1）物理仿真：）物理仿真： 采用物理模型，有實物介入！采用物理模型，有實物介入！ 具具有效果逼真，精度高等優(yōu)點，但造價高或耗有效果逼真，精度高等優(yōu)點，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用（如導彈、時長，大多在一些特殊場合下采用（如導彈、衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調度仿真與培訓系統(tǒng)等），具有實時性、在線度仿真與培訓系統(tǒng)等），具有實時性、在線的特點。的特點。 （2）數學仿真：采用數學模型）數學仿真：采用數學模型 在計在計算機上進行，具有非實時性、離線的特點，算機上進行，具有非實時性、離線的特點，經濟、快速、實用。經濟、快速、實用。 （3） 數

7、學數學-物理仿真：物理仿真： 將系統(tǒng)的物理將系統(tǒng)的物理模型和數學模型以及部分實物有機地組合在模型和數學模型以及部分實物有機地組合在一起進行實驗研究，稱之為數學物理仿真，一起進行實驗研究，稱之為數學物理仿真，也稱為半實物仿真。也稱為半實物仿真。2. 按系統(tǒng)隨時間變化的狀態(tài)分類按系統(tǒng)隨時間變化的狀態(tài)分類 （1）連續(xù)系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)仿真。 系統(tǒng)的輸入輸出信號均為時間的連續(xù)函數，系統(tǒng)的輸入輸出信號均為時間的連續(xù)函數，可用一組數學表達式來描述，例如采用微分可用一組數學表達式來描述，例如采用微分方程、狀態(tài)方程等。方程、狀態(tài)方程等。 （2）離散事件系統(tǒng)仿真。離散事件系統(tǒng)仿真。 系統(tǒng)的狀態(tài)變化只是在離散時刻

8、發(fā)生，且由系統(tǒng)的狀態(tài)變化只是在離散時刻發(fā)生，且由某種隨機事件驅動，稱之為離散事件系統(tǒng)。某種隨機事件驅動，稱之為離散事件系統(tǒng)。系統(tǒng)系統(tǒng)模型模型建立仿真模型建立仿真模型建立數學模型建立數學模型仿真實驗仿真實驗結果分析結果分析計算機計算機1.2.2 控制系統(tǒng)計算機仿真的過程控制系統(tǒng)計算機仿真的過程 1. 根據仿真目的確定仿真方案根據仿真目的確定仿真方案 2. 建立自動控制系統(tǒng)的數學模型建立自動控制系統(tǒng)的數學模型 系統(tǒng)的數學模型是描述系統(tǒng)輸入、輸出變系統(tǒng)的數學模型是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系的數學表達式。量以及內部各變量之間關系的數學表達式。 最常用的基本數學模型是微分方程與差分最常

9、用的基本數學模型是微分方程與差分方程。方程。 3 . 建立自動控制系統(tǒng)的仿真模型建立自動控制系統(tǒng)的仿真模型 原始控制系統(tǒng)的數學模型，如微分方程、原始控制系統(tǒng)的數學模型，如微分方程、差分方程等，還不能直接用來對系統(tǒng)進行仿差分方程等，還不能直接用來對系統(tǒng)進行仿真，應該將其轉換為能在計算機中對系統(tǒng)進真，應該將其轉換為能在計算機中對系統(tǒng)進行仿真的模型。行仿真的模型。 對于連續(xù)系統(tǒng)而言，將微分方程這樣的對于連續(xù)系統(tǒng)而言，將微分方程這樣的原始數學模型，在零初始條件下進行拉普拉原始數學模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換，求得控制系統(tǒng)的傳遞函數，以傳遞斯變換，求得控制系統(tǒng)的傳遞函數，以傳遞函數模型為基礎，將

10、其等效變換為狀態(tài)空間函數模型為基礎，將其等效變換為狀態(tài)空間模型，這些模型都是系統(tǒng)的仿真模型。模型，這些模型都是系統(tǒng)的仿真模型。 對于離散系統(tǒng)而言，將差分方程經對于離散系統(tǒng)而言，將差分方程經z變換轉換為計算機可以處理的數字控制變換轉換為計算機可以處理的數字控制器模型即可。器模型即可。 4編制自動控制系統(tǒng)的仿真程序編制自動控制系統(tǒng)的仿真程序 對于非實時系統(tǒng)的仿真，可以用一般的對于非實時系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級語言，例如高級語言，例如Basic、Fortran 或或C 語言語言等編制系統(tǒng)的仿真程序；對于快速、實時等編制系統(tǒng)的仿真程序；對于快速、實時系統(tǒng)的仿真，往往采用匯編語言編制仿真系統(tǒng)的仿真，

11、往往采用匯編語言編制仿真程序。程序。 目前，采用目前，采用MATLAB 仿真比較普遍。仿真比較普遍。利用利用MATLAB 的的TOOLBOX 工具箱及其工具箱及其Simulink 仿真集成環(huán)境作仿真工具，來研仿真集成環(huán)境作仿真工具，來研究和分析控制系統(tǒng)是非常方便的。究和分析控制系統(tǒng)是非常方便的。 5在計算機上進行仿真實驗并輸出仿真結果。在計算機上進行仿真實驗并輸出仿真結果。 首先，將編制好的仿真程序輸入到計算機中，首先，將編制好的仿真程序輸入到計算機中，并給定仿真的初始參數；然后進行仿真實驗并并給定仿真的初始參數；然后進行仿真實驗并對仿真模型與仿真程序作相應的檢驗和修改，對仿真模型與仿真程序作

12、相應的檢驗和修改，再按照系統(tǒng)仿真的要求將得到的系統(tǒng)仿真最終再按照系統(tǒng)仿真的要求將得到的系統(tǒng)仿真最終結果通過相應設備以數據、曲線、圖形等方式結果通過相應設備以數據、曲線、圖形等方式輸出；最后，進行仿真總結，提交系統(tǒng)仿真的輸出；最后，進行仿真總結，提交系統(tǒng)仿真的報告報告。 1.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)MATLAB計算與仿真計算與仿真 1.3.1 先進的軟件先進的軟件MATLAB MATLAB語言是美國語言是美國Math Works公司于公司于20世紀世紀80年代推出的高性能數值計算軟件，年代推出的高性能數值計算軟件，MATLAB 語言語言源于線性代數中的數學運算，它不同于其他的計算源于線性代數中的數學

13、運算，它不同于其他的計算機高級語言，機高級語言，MATLAB語言最初是基于矩陣的運算語言最初是基于矩陣的運算工具，這也是其名稱工具，這也是其名稱MATLAB(MATrix LABoratory)的由來。的由來。MATLAB 語言已成為當今全世界流行的一語言已成為當今全世界流行的一種優(yōu)秀的計算機語言。種優(yōu)秀的計算機語言。 1. MATLAB語言功能強大，適用范圍廣泛。語言功能強大，適用范圍廣泛。 2. MATLAB語言編程效率高。語言編程效率高。MATLAB語語言提供了豐富的內部函數。言提供了豐富的內部函數。 3. MATLAB語言界面友好，用戶使用方便。語言界面友好，用戶使用方便。MATLAB 語言擁有友好的界面與易學易懂語言擁有友好的界面與易學易懂的幫助系統(tǒng)。的幫助系統(tǒng)。 4. MATLAB語言具有很強的擴充能力。語言具有很強的擴充能力。 5. 語句簡單，內涵豐富。語句簡單，內涵豐富。 MATLAB最基本的語句結構是賦值語句，語最基本的語句結構是賦值語句，語句的一般形式為：句的一般形式為： 變量名列表變量名列表=表達式表達式 6. MATLAB語言具有強大的圖形處理和符號語言具有強大的圖形處理和符號運算功能。運算功能。 7. MATLAB的活筆記本功能的活筆記本功能 MATLAB的的Notebook把把Microsift Word與與MATLAB集成為一個整體，為文字處理、科