第一章控制系統(tǒng)緒論

1、大學名稱或?；沾髮W名稱或?；誛WW.SOPPT.CN控制系統(tǒng)設計與仿真控制系統(tǒng)設計與仿真Control System Design and SimulationQQ: 10600219辦公室：新校區(qū)機電樓辦公室：新校區(qū)機電樓A 511A 511Email:daiyu_主講人：戴主講人：戴 瑜瑜*大學大學WWW.SOPPT.CN總學時總學時 24、講授學時、講授學時 24、課程學分、課程學分1.5；主要教材：主要教材：控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)MATLAB仿真與設計仿真與設計 楊佳等編著，清華大學出版社，楊佳等編著，清華大學出版社，2012參考書籍：參考書籍：計算機仿真技術與計算機仿真技術與CAD基于基于

2、MATLAB的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 李國勇李國勇 主編，電子工業(yè)出版社，主編，電子工業(yè)出版社，2012MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計控制系統(tǒng)仿真與設計趙景波編著，趙景波編著， 機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，2010控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計薛定宇著，機械工業(yè)出版社，薛定宇著，機械工業(yè)出版社，2009上課時間上課時間 ：1-6周周 評分細則：考試評分細則：考試 70%，平時，平時 30% 教 學 安 排 考試方式：考試方式：筆試筆試*大學大學WWW.SOPPT.CN課 程 安 排 緒緒 論論1控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件2 控制系統(tǒng)計算機輔助

3、分析控制系統(tǒng)計算機輔助分析3控制系統(tǒng)應用設計與仿真實例控制系統(tǒng)應用設計與仿真實例5 控制系統(tǒng)計算機輔助設計控制系統(tǒng)計算機輔助設計4*大學大學WWW.SOPPT.CN 緒緒 論論1控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)計算機 輔助設計軟件輔助設計軟件2課 程 安 排控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述計算機仿真概念及其實現(xiàn)計算機仿真概念及其實現(xiàn)MATLAB程序設計基礎：程序設計基礎：數(shù)據(jù)結構、語句結構、基本數(shù)據(jù)結構、語句結構、基本控制流程結構、控制流程結構、M函數(shù)設計、函數(shù)設計、圖形可視化等圖形可視化等SIMULINK動態(tài)仿真：動態(tài)仿真：建?；A知識、建模與仿真、建?；A知識、建模與仿真、子系統(tǒng)

4、與模塊封裝、函數(shù)編寫子系統(tǒng)與模塊封裝、函數(shù)編寫及其應用等及其應用等*大學大學WWW.SOPPT.CN 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)計算機輔助分析計算機輔助分析3課 程 安 排控制系統(tǒng)數(shù)學模型控制系統(tǒng)數(shù)學模型線性系統(tǒng)時域分析線性系統(tǒng)時域分析線性系統(tǒng)頻率分析線性系統(tǒng)頻率分析線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析*大學大學WWW.SOPPT.CN 控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)計算機輔助設計輔助設計4課 程 安 排基于傳遞函數(shù)的控制器設計基于傳遞函數(shù)的控制器設計基于狀態(tài)空間模型的控制器設計基于狀態(tài)空間模型的控制器設計PID控制器設計控制器設計最優(yōu)控制器設計最優(yōu)控制器設計模糊控制器設計模糊控制器設計*大學大學WWW.SOP

5、PT.CN控制系統(tǒng)應用設計控制系統(tǒng)應用設計與仿真實例與仿真實例5課 程 安 排汽車運動控制系統(tǒng)設計汽車運動控制系統(tǒng)設計直流電動機以閉環(huán)拖動系統(tǒng)的直流電動機以閉環(huán)拖動系統(tǒng)的建模與仿真建模與仿真半實物仿真系統(tǒng)及其應用半實物仿真系統(tǒng)及其應用*大學大學WWW.SOPPT.CN課 程 寄 語開設這門課的目的以及學習這門課的重要性： 怎樣學好這門課： *大學大學WWW.SOPPT.CN第一章 緒 論控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述計算機仿真概念及其實現(xiàn)計算機仿真概念及其實現(xiàn)*大學大學WWW.SOPPT.CN基本概念 仿真仿真為了對實際系統(tǒng)進行分析研究，構建實際系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學模型，

6、然后在模型上進行試驗，將試驗結果應用到實際系統(tǒng)中，這一過程就稱為仿真。根據(jù)給定的系統(tǒng)性能指標的要求，借助計算機進行控制系統(tǒng)的分析設計?？刂葡到y(tǒng)計算機輔助設計（控制系統(tǒng)計算機輔助設計（CS-CAD）*大學大學WWW.SOPPT.CN1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述CS-CADCS-CAD發(fā)展綜述發(fā)展綜述 早期的控制系統(tǒng)設計可以由紙筆等工具容易地計算出來，如 Ziegler 與 Nichols 于1942年提出的 PID 經驗公式就可以十分容易地設計出來。 隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達到預期的效果，加之在計算機領域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)

7、的計算機輔助設計 方法（Computer-aided control system design, CACSD）。從事控制系統(tǒng)設計分析的人員常常會面臨巨大瑣碎的計算量，如果能借助計算機本身強大的計算和繪圖功能，以及系統(tǒng)仿真的軟件平臺，可大大提高系統(tǒng)分析和設計的效率。*大學大學WWW.SOPPT.CN1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述CS-CADCS-CAD發(fā)展綜述發(fā)展綜述 控制系統(tǒng)的計算機輔助設計技術的發(fā)展目前已達到了相當高的水平，并一直受到控制界的普遍重視。n 早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系統(tǒng)領域在國際上最權威的IEEE控制系統(tǒng)學會的控制系統(tǒng)雜志(Control Sys

8、tems Magazine)和IEEE學會的科研報告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關于CACSD的?？?；n 近三十年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，各類CACSD 軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB 語言出現(xiàn)以來，就深受控制領域學生和研究者的歡迎，已經成為控制界最流行、最有影響的通用計算機語言，成為控制界學者的首選。*大學大學WWW.SOPPT.CN1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述CSCADCSCAD發(fā)展綜述發(fā)展綜述 CSCAD是目前對復雜控制系統(tǒng)進行分析和設計的重要方法和手段。在進行控制系統(tǒng)的分析與綜合的過程中，除了要進行理論分析外，還要對系統(tǒng)的特性進行實驗研

9、究，研究系統(tǒng)的固有的動態(tài)特性，驗算設計的控制器能否達到預期的性能指標，這個過程是設計實驗修改設計再實驗的過程。 *大學大學WWW.SOPPT.CN 顯然，控制系統(tǒng)計算機輔助設計與控制系統(tǒng)計算機仿真之間有著密不可分的關系，在系統(tǒng)設計階段進行的計算機仿真實際就是計算機輔助設計工作的一部分。 控制系統(tǒng)計算機仿真就是以控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為基礎，借助計算機對控制系統(tǒng)的動態(tài)特性進行實驗研究。這一過程包括： 建立數(shù)學模型； 根據(jù)性能指標和控制算法編程求解控制器參數(shù)； 對系統(tǒng)校正前后進行仿真，并驗證控制器的實際控制效果； 修改控制器參數(shù)或結構，直到仿真結果滿足設計要求。1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述CSC

10、ADCSCAD仿真仿真*大學大學WWW.SOPPT.CN1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)特點特點： 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。 相關性：系統(tǒng)內部各要素之間相互以一定規(guī)律聯(lián)系著。 層次性：系統(tǒng)可以分解為一系列的子系統(tǒng)，并存在一定的層次結構。 目的性：系統(tǒng)具有某種目的，要達到既定的目的，系統(tǒng)必須具有 一定的功能（如控制、調節(jié)和管理的功能）。所謂“系統(tǒng)”是指相互聯(lián)系又相互作用著的對象的有機組合。該組合體可以完成某項任務或實現(xiàn)某個預定的目標。系統(tǒng)系統(tǒng)*大學大學WWW.SOPPT.CN1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)分類：根據(jù)系統(tǒng)物理特征，可分為兩大類：分類：根據(jù)系統(tǒng)物理特征，可

11、分為兩大類： 工程系統(tǒng)：如機械、電氣、化工、熱力等； 非工程系統(tǒng)：如經濟、交通、管理、生態(tài)等。系統(tǒng)系統(tǒng)三要素：實體、屬性、活動三要素：實體、屬性、活動 實體：組成系統(tǒng)的具體對象； 屬性：實體的特性； 活動：對象隨時間推移而發(fā)生的狀態(tài)變化。*大學大學WWW.SOPPT.CN1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)分類：分類： 物理模型：根據(jù)相似原理把實際系統(tǒng)加以縮小或放大的復制品， 如飛機模型放在與氣流場相似的風洞中進行實驗研究； 數(shù)學模型：用數(shù)學的形式對一個系統(tǒng)的行為、特征等進行描述， 保持了模型與原型之間信息傳遞規(guī)律的相似。 混合模型：物理數(shù)學模型，把數(shù)學仿真、物理仿真和實體結合起來， 將系統(tǒng)的一部分

12、描述成數(shù)學模型，放入計算機，其余部分則構建物理模型 或直接采用實體，組成一個復雜的仿真系統(tǒng)，這種在仿真環(huán)節(jié)中有部分 實物介入的混合仿真也稱為半實物仿真或半物理仿真。對所要研究的系統(tǒng)在某些特定方面（如特征和變化規(guī)律）的 抽象，它通常是真實系統(tǒng)的一種簡化。模型模型*大學大學WWW.SOPPT.CN1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)根據(jù)模型種類不同，系統(tǒng)仿真可分為三種：根據(jù)模型種類不同，系統(tǒng)仿真可分為三種： 物理仿真：構建物理模型，并在物理模型上進行試驗。 優(yōu)點：直觀、形象；缺點：周期長、投資高、結構難以更改。 數(shù)學仿真：在計算機上對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行試驗，又稱計算機仿真。 優(yōu)點：經濟、方便、靈活性大。

13、 混合仿真：將數(shù)學模型與物理模型或實物聯(lián)合在一起進行試驗，即將系統(tǒng)的一部分描述成數(shù)學模型，采用計算機表達，而其余部分則構建其物理模型或直接采用實物，組成一個復雜的仿真系統(tǒng)。這種在計算機仿真環(huán)節(jié)中有部分實物介入的混合仿真也稱為半實物仿真或半物理仿真。為了對實際系統(tǒng)進行分析研究，構建實際系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學模型，然后在模型上進行試驗，將試驗結果應用到實際系統(tǒng)中，這一過程就稱為“仿真”。仿真仿真*大學大學WWW.SOPPT.CN1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)特征不同，可分為兩類：根據(jù)系統(tǒng)特征不同，可分為兩類： 連續(xù)系統(tǒng)仿真：可對系統(tǒng)建立用微分方程或差分方程等描述的數(shù) 學模型，并放入計算機進行

14、試驗； 離散事件系統(tǒng)仿真：面對的是由某種隨機事件驅動引發(fā)狀態(tài)變化 的系統(tǒng)的數(shù)學模型（非數(shù)學方程式描述，通常用流程圖或網(wǎng)絡圖 描述），并放入計算機上進行試驗。仿真仿真*大學大學WWW.SOPPT.CN1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)計算機仿真過程計算機仿真過程實際系統(tǒng)實際系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)學模型建立系統(tǒng)數(shù)學模型建立仿真模型建立仿真模型建立仿真程序設計與編寫仿真程序設計與編寫仿真試驗仿真試驗仿真結果分析仿真結果分析修改程序修改程序修改模型修改模型修改方案修改方案結果滿足結果滿足 要求否？要求否？YN程序問題？程序問題？YN方案問題？方案問題？Y1、明確系統(tǒng)，確定需要、明確系統(tǒng)，確定需要仿真的問題；仿真的問題

15、；2、建立系統(tǒng)數(shù)學模型，、建立系統(tǒng)數(shù)學模型，如微分方程組；如微分方程組；3、設計算法，使數(shù)學模、設計算法，使數(shù)學模型能為計算機所接受，型能為計算機所接受，能在計算機上運行；能在計算機上運行；4、算法語言加以描述，、算法語言加以描述，即編寫程序，如即編寫程序，如Basic、Fortran、C、Matlab等；等；5、運行仿真程序，、運行仿真程序，設置不同的初始條件或設置不同的初始條件或參數(shù)，對系統(tǒng)進行反復參數(shù)，對系統(tǒng)進行反復研究與分析；研究與分析；6、得到系統(tǒng)的性能評價；、得到系統(tǒng)的性能評價；7、驗證仿真結果與實際、驗證仿真結果與實際系統(tǒng)是否一致。系統(tǒng)是否一致。 根據(jù)仿真目根據(jù)仿真目的確定方案的

16、確定方案仿真結束仿真結束模型問題？模型問題？NY*大學大學WWW.SOPPT.CN計算機仿真技術的發(fā)展計算機仿真技術的發(fā)展1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)20世紀世紀40年代：年代：出現(xiàn)模擬計算機，用于設計飛機的出現(xiàn)模擬計算機，用于設計飛機的專用計算機；專用計算機；20世紀世紀50年代：年代：出現(xiàn)通用模擬計算機；出現(xiàn)通用模擬計算機；20世紀世紀50年代末：年代末：數(shù)字計算機發(fā)展迅速，數(shù)字計算機發(fā)展迅速，1958年出年出現(xiàn)了第一臺專用的模擬現(xiàn)了第一臺專用的模擬/數(shù)字混合計算機，用來解數(shù)字混合計算機，用來解決導彈軌跡計算問題；決導彈軌跡計算問題；20世紀世紀60年代，年代，出現(xiàn)了混合計算機商品；出現(xiàn)

17、了混合計算機商品；近年來，近年來，計算機技術飛速發(fā)展，數(shù)字計算機仿真技計算機技術飛速發(fā)展，數(shù)字計算機仿真技術得到普及。術得到普及。*大學大學WWW.SOPPT.CN計算機仿真技術的發(fā)展計算機仿真技術的發(fā)展1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)通用程序設計語言：通用程序設計語言：20世紀世紀60年代的年代的Fortran、Ada、C等語言；等語言；初級仿真語言階段：初級仿真語言階段：20世紀世紀50年代：年代：出現(xiàn)通用模擬計算機；出現(xiàn)通用模擬計算機；20世紀世紀50年代末：年代末：1060-1970年代，面向框圖的年代，面向框圖的MIDAS，面向大型，面向大型聯(lián)系系統(tǒng)仿真規(guī)范的聯(lián)系系統(tǒng)仿真規(guī)范的CSSL

18、、CSMP，基于微分方程模型的，基于微分方程模型的DYNAMO，基于離散事件的，基于離散事件的HMLIB、CSL，面向過程仿真系統(tǒng)，面向過程仿真系統(tǒng)GPSS等；等；高級仿真語言階段：高級仿真語言階段：1970-1980年代，商用連續(xù)系統(tǒng)仿真語言年代，商用連續(xù)系統(tǒng)仿真語言SSLV，離散事件系統(tǒng)仿真語言離散事件系統(tǒng)仿真語言GPSSIV、SIMCRIP、SLAM等；等；一體化建模與仿真環(huán)境軟件：一體化建模與仿真環(huán)境軟件：控制系統(tǒng)計算機輔助設計仿真軟件控制系統(tǒng)計算機輔助設計仿真軟件MATLAB，機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS、RecurDyn等。等。*大學大學WWW.

19、SOPPT.CN計算機仿真技術的發(fā)展計算機仿真技術的發(fā)展1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)硬件方面：硬件方面：基于多基于多CPU并行處理技術的全數(shù)字仿真系統(tǒng)，并行處理技術的全數(shù)字仿真系統(tǒng)，有效提高有效提高系統(tǒng)仿真速度，系統(tǒng)仿真速度，“實時性實時性” ；基于網(wǎng)絡技術的分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)基于網(wǎng)絡技術的分布式數(shù)字仿真系統(tǒng)廣泛應用。廣泛應用。軟件應用方面：軟件應用方面：各種專家系統(tǒng)與智能化技術將更深入應用于仿真軟各種專家系統(tǒng)與智能化技術將更深入應用于仿真軟件開發(fā)中，在人機界面、結果輸出、綜合評判等方面達到更理想境件開發(fā)中，在人機界面、結果輸出、綜合評判等方面達到更理想境界；界；虛擬技術的不斷完善，虛擬技術

20、的不斷完善，虛擬技術是一種綜合了計算機圖形技術、虛擬技術是一種綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、顯示技術和仿真技術等多學科發(fā)展的高多媒體技術、傳感器技術、顯示技術和仿真技術等多學科發(fā)展的高新技術，采用虛擬現(xiàn)實技術，置身于模擬系統(tǒng)中就如同身在真實環(huán)新技術，采用虛擬現(xiàn)實技術，置身于模擬系統(tǒng)中就如同身在真實環(huán)境中一樣，達到最佳效果。境中一樣，達到最佳效果。*大學大學WWW.SOPPT.CN計算機仿真的意義計算機仿真的意義1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)1安全性安全性考慮一直是采用仿真技術的最主要原因。安全性考慮一直是采用仿真技術的最主要原因。對于某些系統(tǒng)，如載人宇宙飛行器、載人潛水器、核電

21、站等，直接試驗往往是危險和不允許的，因此必須首先在模型上進行試驗。所以，航空、航天、武器系統(tǒng)是仿真技術應用的最主要領域，一直到現(xiàn)在仍然占有很大的比重。2經濟性經濟性考慮是采用仿真技術的十分重要的原因。經濟性考慮是采用仿真技術的十分重要的原因。對一個大型系統(tǒng)進行研究，采用物理模型或直接在實物上試驗，成本十分昂貴。以空間技術為例，單次飛行的成本約為104108美元，采用數(shù)字計算機仿真的方法，僅需實際飛行成本的1/101/5 ，而且設備可以重復使用?？梢哉f，幾乎所有的大型發(fā)展項目，都十分重視仿真技術的應用，這是因為這些項目投資很大，有相當?shù)娘L險，而仿真技術的應用可以減小風險。*大學大學WWW.SOP

22、PT.CN計算機仿真的意義計算機仿真的意義1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)3快捷性提高設計效率、縮短開發(fā)周期。4預測性在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經濟等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能。利用仿真則可預測系統(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)的某種超前認識。*大學大學WWW.SOPPT.CN計算機仿真技術的應用：系統(tǒng)分析與設計計算機仿真技術的應用：系統(tǒng)分析與設計1.2 計算機仿真概念及其實現(xiàn)系統(tǒng)設計過程中系統(tǒng)設計過程中利用仿真技術可以利用仿真技術可以幫助設計人員實現(xiàn)幫助設計人員實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設計系統(tǒng)的最優(yōu)化設計新系統(tǒng)未建立之前新系統(tǒng)未建立之前運用系統(tǒng)仿

23、真技術運用系統(tǒng)仿真技術可以論證系統(tǒng)及其可以論證系統(tǒng)及其可行性，為準確進行可行性，為準確進行系統(tǒng)設計打下系統(tǒng)設計打下堅實基礎。堅實基礎。利用仿真技術可以利用仿真技術可以分析系統(tǒng)工作分析系統(tǒng)工作的狀況，的狀況，選擇最佳運行參數(shù)選擇最佳運行參數(shù)系統(tǒng)建成后系統(tǒng)建成后*大學大學WWW.SOPPT.CN世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛機，其設計、世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機仿真技裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機仿真技術。這不但使研發(fā)周期大大縮短、研發(fā)成本顯著降術。這不但使研發(fā)周期大大縮短、研發(fā)成本顯著降低，而且確保了最終產品一次接裝成功。低，而且確保了最終產品一次接裝成功。利用虛擬利用虛擬樣機仿真技術研究樣機仿真技術研究宇宙飛船在不同階