《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與cad》第0章緒論

1、0.1 0.1 仿真技術(shù)簡(jiǎn)介仿真技術(shù)簡(jiǎn)介0.2 0.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展概況計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展概況0.3 0.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用0.4 0.4 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi) 容及其應(yīng)用容及其應(yīng)用0.5 0.5 基于基于MATLABMATLAB的控制系統(tǒng)仿真的現(xiàn)狀的控制系統(tǒng)仿真的現(xiàn)狀0.1 0.1 仿真技術(shù)簡(jiǎn)介仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、執(zhí)行器和控制器所組成，當(dāng)選定測(cè)量變送裝置和執(zhí)行器后，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析研究，也就是對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和研究，然后根據(jù)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，

2、以求獲得能滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求的最優(yōu)控制系統(tǒng)。 在控制器類(lèi)型確定后，則分析和研究控制系統(tǒng)的主要目的之一是獲得控制器的最佳整定參數(shù)。 對(duì)于比較簡(jiǎn)單的被控對(duì)象，可以在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)整來(lái)獲得較好的整定參數(shù)。 但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，大部分的被控對(duì)象是比較復(fù)雜的，并且要考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的可能性等，這在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中往往不易做到，甚至根本不允許這樣做。例如研究導(dǎo)彈飛行、宇航、反應(yīng)堆控制等系統(tǒng)時(shí)，不經(jīng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)就進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，將對(duì)人類(lèi)的生命和健康帶來(lái)很大的危險(xiǎn)，這時(shí)，就需要把實(shí)際系統(tǒng)建立成物理模型或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，然后把對(duì)模型實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中去，這種方法就叫做模擬仿真研究

3、，簡(jiǎn)稱(chēng)仿真。 仿真：就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。 是相似原理，即*幾何相似*環(huán)境相似*性能相似 依據(jù)相似原理仿真可分為：* 物理仿真* 數(shù)學(xué)仿真* 混合仿真 物理仿真-就是應(yīng)用幾何相似原理，制作一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)相似但幾何尺寸較小或較大的物理模型（例如飛機(jī)模型放在氣流場(chǎng)相似的風(fēng)洞中）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 數(shù)學(xué)仿真-是應(yīng)用數(shù)學(xué)相似原理，構(gòu)成數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行研究。它由軟硬件仿真環(huán)境、動(dòng)畫(huà)、圖形顯示、輸出打印設(shè)備等組成。 混合仿真又稱(chēng)數(shù)學(xué)物理仿真，它是為了提高仿真的可信度或者針對(duì)一些難以建模的實(shí)體，在系統(tǒng)研究中往往把數(shù)學(xué)仿真、物理仿真和實(shí)體結(jié)合起來(lái)組成一個(gè)復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，

4、這種在仿真環(huán)節(jié)中有部分實(shí)物介入的混合仿真也稱(chēng)為半實(shí)物仿真或者半物理仿真。 在仿真研究中，數(shù)學(xué)仿真只要有一臺(tái)數(shù)學(xué)仿真設(shè)備（如計(jì)算機(jī)等），就可以對(duì)不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和研究，而且，進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作也比較簡(jiǎn)單，主要是受控系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計(jì)算機(jī)編程。 而物理仿真則需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝、接線及調(diào)試工作。 數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間比物理仿真大大縮短，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也比物理仿真簡(jiǎn)單的多。 由于數(shù)學(xué)仿真的主要工具是計(jì)算機(jī)，因此數(shù)學(xué)仿真一般又稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)仿真”。 由于計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)樵S多實(shí)驗(yàn)提供方便、靈活的“活的數(shù)學(xué)模型”，因此，凡是可以用模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，幾乎都可以用計(jì)算機(jī)

5、仿真來(lái)研究被仿真系統(tǒng)本身的各種特性，選擇最佳參數(shù)和設(shè)計(jì)最合理的系統(tǒng)方案。所以隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真越來(lái)越多地取代純物理仿真。計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程流程圖如圖0-1所示。 第一步：第一步：根據(jù)仿真目的確定仿真方案 根據(jù)仿真目的確定相應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu)和方法，規(guī)定仿真的邊界條件與約束條件。 第二步：第二步：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，可以通過(guò)某些基本定律來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。而對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須利用實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)系統(tǒng)辯識(shí)技術(shù)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的依據(jù)，所以，數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性是十分重要。 第三步：第三步：建立仿真模型 對(duì)連續(xù)系統(tǒng)，即通過(guò)一定算法對(duì)原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化處理，建立相應(yīng)

6、差分方程。 第四步：第四步：編制仿真程序 對(duì)于非實(shí)時(shí)仿真，可用一般高級(jí)語(yǔ)言或仿真 語(yǔ)言。對(duì)于快速實(shí)時(shí)仿真，往往需要用匯編語(yǔ)言。 第五步第五步：進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真系統(tǒng)模型及程序進(jìn)行校驗(yàn)和修改，然后按系統(tǒng)仿真的要求輸出仿真結(jié)果。 第六步第六步：仿真結(jié)果分析 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和仿真目的對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理，以便修正數(shù)學(xué)模型/仿真模型及仿真程序，或者修正改變?cè)拖到y(tǒng)，以進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。 通常將實(shí)際系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)模型稱(chēng)之為一次模型化，它涉及到系統(tǒng)辯識(shí)技術(shù)問(wèn)題，又稱(chēng)為建模問(wèn)題。 將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型，稱(chēng)之為二次模型化，它涉及到仿真編程、運(yùn)行、修改參數(shù)等技術(shù)，又稱(chēng)

7、為系統(tǒng)仿真技術(shù)。21包括：仿真硬件的發(fā)展和仿真軟件的發(fā)展 20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了模擬計(jì)算機(jī)，這時(shí)的計(jì)算機(jī)大都是用來(lái)設(shè)計(jì)飛機(jī)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。 50年代初，出現(xiàn)了通用的模擬計(jì)算機(jī)。 50年代末，數(shù)字計(jì)算機(jī)有了很大發(fā)展，加上這時(shí)期在微分方程數(shù)值解的理論方面又有很大的發(fā)展，所以在幾種高級(jí)語(yǔ)言（如FORTRAN，ALGOL等）出現(xiàn)以后，在50年代末期，數(shù)字計(jì)算機(jī)便在非實(shí)時(shí)仿真方面開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用。 1958年為滿(mǎn)足高速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的要求，出現(xiàn)了第一臺(tái)專(zhuān)用的模擬/數(shù)字混合計(jì)算機(jī)，它是用來(lái)解決導(dǎo)彈軌跡的計(jì)算問(wèn)題。 60年代初期，出現(xiàn)了混合計(jì)算機(jī)商品。 近年以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)已有可能解

8、決高速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真問(wèn)題，所以模擬/數(shù)字混合計(jì)算機(jī)將被數(shù)字計(jì)算機(jī)所取代。 近四十年來(lái)，仿真軟件充分吸收了仿真方法學(xué)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖形/圖像、多媒體、軟件工程、系統(tǒng)工程、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)成果，從而得到了很大發(fā)展。 仿真軟件也從初期的機(jī)器代碼，經(jīng)歷較高級(jí)的編程語(yǔ)言，面向問(wèn)題描述的仿真語(yǔ)言，發(fā)展到模塊化概念，并進(jìn)而發(fā)展到面向?qū)ο缶幊?，圖形化模塊編程等。 人機(jī)環(huán)境也由初期的圖形支持，到動(dòng)畫(huà)，交互式仿真，進(jìn)一步發(fā)展到矢量的圖形支持，并向虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展，仿真軟件的發(fā)展基本經(jīng)歷了以下五個(gè)階段。 （1）通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言：1960年左右的FORTRAN，以及具有適應(yīng)并行處理功能的Ada,C+等語(yǔ)言。

9、 （2）初級(jí)仿真語(yǔ)言階段: 19601970年間面向框圖的MIDAS；面向大型連續(xù)系統(tǒng)的仿真規(guī)范的CSSL(Continuous System Simulation Language)；CSMP(Continuous System Modeling Program)；基于差分方程模型的DYNAMO(Dynamic Models)；基于離散事件的SIMLIB 和CSL(Control and simulation Language)；還有以過(guò)程為基礎(chǔ)的通用仿真系統(tǒng)GPSS(General purpose Simulation System)等。 （3）高級(jí)仿真語(yǔ)言階段: 19701980年間商用

10、的連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言SSLIV、DAREP、ACSL,以及離散事件系統(tǒng)仿真語(yǔ)言GPSSIV、SIMCRIP和SLAM等。 （4）一體化建模與仿真環(huán)境軟件: 如美國(guó)Pritsket于1989年推出的TESS，它是具有數(shù)據(jù)庫(kù),而且能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索，腳本仿真/數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析報(bào)告和圖形生成，腳本動(dòng)畫(huà)，網(wǎng)絡(luò)模型輸入，運(yùn)行控制，數(shù)據(jù)管理等八個(gè)部分組成一體化仿真軟件環(huán)境。 （5）智能化仿真軟件環(huán)境: 它于80年代后期問(wèn)世，由一體化仿真軟件環(huán)境，專(zhuān)家系統(tǒng)，智能接口等組成并具有知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)、實(shí)驗(yàn)程序庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，該軟件充分利用了FORTRAN、C、Ada、LISP等語(yǔ)言的優(yōu)良特性。 到目前為止，已形

11、成了許多各具特色的仿真語(yǔ)言。其中美國(guó)Mathworks軟件公司的動(dòng)態(tài)仿真集成軟件Simulink與該公司著名的MATLAB軟件集成在一起，成為當(dāng)今最具影響力的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件。29 計(jì)算機(jī)仿真已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它在系統(tǒng)研究中的重要性在于它不僅經(jīng)濟(jì)而且安全可靠。通過(guò)仿真研究可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的特性以及外界干擾的影響，從而可以對(duì)制訂控制方案和控制決策提供定量依據(jù)。主要應(yīng)用領(lǐng)域： 工程系統(tǒng) 非工程系統(tǒng)30仿真技術(shù)的意義： 首先，由于仿真技術(shù)的應(yīng)用安全性，使得航空、航天、核電站等成為其最早和最主要的應(yīng)用領(lǐng)域； 其次，從仿真經(jīng)濟(jì)性考慮，由于仿真往往是在計(jì)算機(jī)上模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)過(guò)程，并可多次重復(fù)運(yùn)行，使其經(jīng)濟(jì)

12、性十分突出； 另外，從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，仿真技術(shù)也極具價(jià)值。 仿真技術(shù)在許多復(fù)雜工程系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)研究中成為不可或缺的工具。31 另外，仿真系統(tǒng)一旦建立就可重復(fù)利用，特別是對(duì)。 如用于研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、污染、生物、醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等。 由于其應(yīng)用廣泛及卓有成效，在國(guó)際上成立國(guó)際仿真聯(lián)合會(huì)（International Association for Mathematic and Computer in Simulation-IAMCS）。 (1)面向?qū)ο蟮姆抡娣椒?，從人?lèi)認(rèn)識(shí)世界的模式出發(fā)提供更自然直觀的系統(tǒng)仿真框架； (2)分布式交互仿真，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交互操作，構(gòu)造時(shí)空一致合成的仿真環(huán)境,

13、可對(duì)復(fù)雜、分布、綜合的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；(3)定性仿真，以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、結(jié)果輸出，建立定性模型；(4)人機(jī)和諧的仿真環(huán)境，發(fā)展可視化仿真、多媒體仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等。這些新技術(shù)、新方法必將孕育著仿真方法的新突破。 主要有仿真與人工智能技術(shù)的結(jié)合、分布式仿真與仿真模型的并行處理、圖形與動(dòng)畫(huà)仿真、建模環(huán)境與仿真支持系統(tǒng)等。 控制系統(tǒng)的仿真是一門(mén)涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性科學(xué)。36 MATLAB語(yǔ)言由于使用極其方便、且提供了豐富的矩陣處理功能，所以很快引起了控制理論領(lǐng)域研究人員的高度重視，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了控制理論與CAD和圖形化模塊化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的控制系統(tǒng)仿真工具箱，目前它已成為國(guó)際控制界最流行的仿真語(yǔ)言。 MATLAB可以在各種類(lèi)型的機(jī)型上運(yùn)行，如PC及兼容機(jī)、Macintosh及Sun工作站、VAX機(jī)、Apollo工作站及Cray計(jì)算機(jī)等。 MATLAB語(yǔ)言除可以進(jìn)行傳統(tǒng)的交互式編程來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以外，可以調(diào)用它的