控制與仿真的一般知識(shí)課件

1、1課程教學(xué)目標(biāo)及要求以基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)，注重應(yīng)用型人才專業(yè)技能和實(shí)用技術(shù)的培養(yǎng)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制與仿真的基本知識(shí)、基本理論及其應(yīng)用技術(shù)掌握仿真原理及仿真算法，熟練運(yùn)用MATLAB和SIMULINK對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真編程、調(diào)試及運(yùn)行課程講授中，強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用技術(shù)為主線，通過(guò)實(shí)例分析強(qiáng)化知識(shí)的的理解教學(xué)內(nèi)容由淺入深，循序漸進(jìn)，層次清晰，脈絡(luò)分明，突出重點(diǎn)，相關(guān)概念、理論及應(yīng)用均以基本要求為主第1頁(yè)/共30頁(yè)2 通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)該掌握以下內(nèi)容：第1章 控制與仿真的一般知識(shí)自動(dòng)控制的基本概念及其應(yīng)用控制系統(tǒng)的分類和總體性能要求系統(tǒng)仿真的概念及其特點(diǎn)系統(tǒng)仿真的分類及仿真過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其

2、應(yīng)用 第2頁(yè)/共30頁(yè)3 1. 系統(tǒng)的定義 控制工程中，由相互聯(lián)系、相互作用的物體所形成的具有特定功能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有機(jī)整體稱為系統(tǒng)。 日常生活中常見(jiàn)的溫度控制、速度調(diào)節(jié)、交通管理、民航訂票、生態(tài)監(jiān)控等等，都可以看作是一個(gè)完整的系統(tǒng)。1.1.1 系統(tǒng)的含義與特性 1.1 自動(dòng)控制的基本知識(shí) 第3頁(yè)/共30頁(yè)4 2. 系統(tǒng)的三要素（1）實(shí)體：系統(tǒng)是由一些相互聯(lián)系的實(shí)際物體組合而成的，這些物體稱為實(shí)體。（2）屬性：組成系統(tǒng)的每個(gè)實(shí)體都具備一定的特征，這些特征稱為系統(tǒng)的屬性。（3）活動(dòng)：系統(tǒng)在內(nèi)外部因素的作用下會(huì)按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，此變化過(guò)程稱之為活動(dòng)。 自然界中的系統(tǒng)形形色色，其外在形狀或內(nèi)部構(gòu)

3、造存在一定的差別，總歸由一些實(shí)體組成，每個(gè)實(shí)體有一些主要屬性，各個(gè)系統(tǒng)有其主要的活動(dòng)。 第4頁(yè)/共30頁(yè)5 3. 系統(tǒng)的特性 一個(gè)完整的系統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個(gè)方面的主要特性：（1）整體性（2）結(jié)構(gòu)性（3）相關(guān)性（4）歷時(shí)性（5）有序性第5頁(yè)/共30頁(yè)61.1.2 自動(dòng)控制的概念及應(yīng)用 1. 自動(dòng)控制的相關(guān)概念（1）控制：對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行主動(dòng)的干預(yù)、管理和操縱的過(guò)程。（2）自動(dòng)控制：采用控制裝置自動(dòng)地、有目的地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能要求。（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)：指由控制裝置與被控對(duì)象等結(jié)合起來(lái)且能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的一些物理量進(jìn)行自動(dòng)控制的一個(gè)有機(jī)整體。第6頁(yè)/共30頁(yè)7 2.

4、 自動(dòng)控制的任務(wù) 利用控制裝置自動(dòng)地操縱控制對(duì)象，使被控量等于系統(tǒng)所應(yīng)保持的給定值。 若系統(tǒng)給定值以時(shí)間函數(shù)表示，被控量以時(shí)間函數(shù)表示，則自動(dòng)控制的任務(wù)可以采用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示： 式 中：被控量也稱為輸出量給定值也稱為輸入量第7頁(yè)/共30頁(yè)8 1.1.3 對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求 系統(tǒng)在外信號(hào)作用下被控量隨時(shí)間變化的過(guò)程稱動(dòng)態(tài)過(guò)程，也叫過(guò)渡過(guò)程； 當(dāng)輸出量穩(wěn)定在新的平衡狀態(tài)并保持不變時(shí)，稱穩(wěn)態(tài)過(guò)程。 工程實(shí)際中對(duì)控制系統(tǒng)的總體性能要求是：系統(tǒng)穩(wěn)定程度要高動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)性要好系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要短最終控制精度要高 概括為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)字。第8頁(yè)/共30頁(yè)91.2 控制系統(tǒng)的組成及分類 1.2.1 控制

5、系統(tǒng)的組成 以圖1-3所示典型閉環(huán)控制系統(tǒng)為例。 圖1-3 典型閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第9頁(yè)/共30頁(yè)10 1. 典型裝置及其含義（1）控制裝置G1：對(duì)被控對(duì)象起控制作用的設(shè)備總稱（2）被控對(duì)象G2：系統(tǒng)中的被控制對(duì)象（3）反饋環(huán)節(jié)H：用于檢測(cè)系統(tǒng)輸出狀況的測(cè)量裝置（4）比較環(huán)節(jié)：在系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)疊加的作用點(diǎn)2. 各類信號(hào)及其含義（1）輸入信號(hào)：系統(tǒng)外部輸入量，即給定值（2）輸出信號(hào)：系統(tǒng)的輸出量，也稱被控制量（3）主反饋信號(hào)：從系統(tǒng)輸出端取出，經(jīng)過(guò)測(cè)量和變換又引入到系統(tǒng)輸入端的信號(hào)（4）偏差信號(hào)：輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差，erb（5）控制信號(hào)：控制裝置的輸出量（6）干擾信號(hào)：系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾

6、量第10頁(yè)/共30頁(yè)113. 有關(guān)的名詞術(shù)語(yǔ)（1）前向通道：從系統(tǒng)輸入端到輸出端的正向傳輸通道（2）主反饋通道：從輸出量到主反饋信號(hào)之間的通道（3）主反饋回路：前向通道與主反饋通道的閉合回路（4）局部反饋回路：信號(hào)從前向通道與反饋通道連續(xù)傳輸?shù)拈]合回路。（5）單位反饋系統(tǒng)：主反饋環(huán)節(jié)H=1時(shí)（6）非單位反饋系統(tǒng)：主反饋環(huán)節(jié)H1。第11頁(yè)/共30頁(yè)121.2.2 控制系統(tǒng)的分類 控制系統(tǒng)有以下幾種分類方法。1. 按系統(tǒng)的物理特征分類（1）工程系統(tǒng)（2）非工程系統(tǒng)2. 按系統(tǒng)的輸出特征分類（1）隨動(dòng)系統(tǒng)（2）自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)（4）數(shù)字控制系統(tǒng) 第12頁(yè)/共30頁(yè)133. 按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)

7、模型分類（1）線性系統(tǒng)（2）非線性系統(tǒng)4. 按系統(tǒng)中信號(hào)的變化規(guī)律分類（1）線性連續(xù)系統(tǒng)（2）采樣系統(tǒng)（3）離散事件系統(tǒng)5. 按系統(tǒng)的復(fù)雜程度分類（1）簡(jiǎn)單系統(tǒng)（2）復(fù)雜系統(tǒng)第13頁(yè)/共30頁(yè)141.3 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的基本原理 按系統(tǒng)輸入信號(hào)特點(diǎn)和有無(wú)測(cè)量反饋信號(hào)，可將系統(tǒng)的控制方式分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。1.3.1 按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制 按照系統(tǒng)給定值來(lái)控制輸出量，兩者之間一一對(duì)應(yīng)。其控制過(guò)程如圖1-6所示。 按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：（1）信號(hào)單向傳遞（2）控制精度比較低（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)第14頁(yè)/共30頁(yè)15圖1-6 按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制第15頁(yè)/

8、共30頁(yè)161.3.2 按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制 輸入量是外部干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)量利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償或抵消其對(duì)系統(tǒng)的影響。 控制過(guò)程如圖1-8。 圖1-8 按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制第16頁(yè)/共30頁(yè)17按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：（1）外部輸入干擾量經(jīng)測(cè)量、計(jì)算、執(zhí)行裝置到被控對(duì)象單向傳遞；（2）系統(tǒng)干擾信號(hào)端加入測(cè)量裝置以后，可將干擾量檢測(cè)出來(lái)并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償；（3）常用于系統(tǒng)內(nèi)外部干擾信號(hào)較大且可以測(cè)量的場(chǎng)合。第17頁(yè)/共30頁(yè)18 1.3.3 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 系統(tǒng)輸出量負(fù)反饋到輸入端，靠輸入量與反饋信號(hào)之間的偏差對(duì)輸出量進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。 原理是通過(guò)傳感器

9、測(cè)量出系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，負(fù)反饋到輸入端與系統(tǒng)的給定值比較產(chǎn)生偏差，再按照偏差的大小自動(dòng)地加以修正。 其控制過(guò)程如圖1-9所示。第18頁(yè)/共30頁(yè)19圖1-9 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制 第19頁(yè)/共30頁(yè)20 按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)有以下幾方面的特點(diǎn)：（1）信號(hào)可單向傳遞同時(shí)又有反饋傳遞，形成閉合回路；（2）為了得到偏差信號(hào)須采用負(fù)反饋；（3）可自動(dòng)修正輸出量偏離給定值，并對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)、外部干擾進(jìn)行補(bǔ)償；（4）控制精度較高，使用場(chǎng)合比較廣。第20頁(yè)/共30頁(yè)211.4.1 系統(tǒng)仿真概述 1. 系統(tǒng)仿真的定義 指利用模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程。 2. 數(shù)據(jù)相似原理 主要表現(xiàn)在：（1）描述原型和模

10、型的數(shù)學(xué)表達(dá)式在形式上完全相同；（2）變量之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系且成比例；（3）一個(gè)表達(dá)式的變量被另一個(gè)表達(dá)式中相應(yīng)變量置換后，表達(dá)式對(duì)應(yīng)各項(xiàng)的系數(shù)保持相等。1.4 系統(tǒng)仿真的基本知識(shí)第21頁(yè)/共30頁(yè)223. 系統(tǒng)仿真三要素 將實(shí)際系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)稱為系統(tǒng)仿真的三要素。其相互關(guān)系可表示為圖1-13所示。圖1-13 系統(tǒng)仿真三要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系第22頁(yè)/共30頁(yè)231.4.2 系統(tǒng)仿真的步驟和過(guò)程 1. 系統(tǒng)仿真的步驟 將一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，得出需要的仿真結(jié)果，應(yīng)該經(jīng)歷以下8個(gè)步驟：（1）系統(tǒng)定義（2）建立數(shù)學(xué)模型（3）模型變換（4）設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)（5）模型加載（6）仿真實(shí)

11、驗(yàn)（7）模型校驗(yàn)（8）提交仿真報(bào)告第23頁(yè)/共30頁(yè)24 2. 系統(tǒng)仿真的過(guò)程 為了將實(shí)際控制系統(tǒng)放到計(jì)算機(jī)上仿真并得出需要的仿真結(jié)果，應(yīng)該有以下幾個(gè)典型過(guò)程。（1）定義系統(tǒng)明確仿真目的（2）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（3）將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化換仿真模型（4）編制仿真程序（5）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出結(jié)果第24頁(yè)/共30頁(yè)25 一般情況下，可把系統(tǒng)仿真分成以下三大類別。 1. 按仿真模型的種類劃分（1）物理仿真（2）數(shù)學(xué)仿真（3）數(shù)學(xué)物理仿真 2. 按仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)的時(shí)間關(guān)系劃分（1）實(shí)時(shí)仿真（2）超實(shí)時(shí)仿真（3）慢時(shí)實(shí)仿真3. 按系統(tǒng)隨時(shí)間變化的狀態(tài)分（1）連續(xù)系統(tǒng)（2）離散事件系統(tǒng)仿真 1.4.3

12、系統(tǒng)仿真的分類 第25頁(yè)/共30頁(yè)261.5 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用 1.5.1 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)1. 模擬計(jì)算機(jī)仿真 優(yōu)點(diǎn)是采用并行運(yùn)算，速度快，輸出為連續(xù)量，易于與實(shí)物連接，比較接近實(shí)際的控制系統(tǒng)； 缺點(diǎn)是計(jì)算精度比較低，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)仿真時(shí)線路上實(shí)現(xiàn)的難度較大，且自動(dòng)化程度低。2. 數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真 優(yōu)點(diǎn)是仿真計(jì)算精度高，使用方便，修改參數(shù)容易，采用程序控制，自動(dòng)化程度高； 缺點(diǎn)是由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的工作是“串行”計(jì)算，仿真速度較慢，實(shí)時(shí)仿真有一定困難。 第26頁(yè)/共30頁(yè)273. 混合計(jì)算機(jī)仿真 數(shù)模混合計(jì)算機(jī)仿真在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)、統(tǒng)計(jì)分析等反復(fù)迭代運(yùn)算，以及要求與實(shí)物結(jié)合連續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、同時(shí)又有一些復(fù)雜的函數(shù)需要計(jì)算的場(chǎng)合中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。4. 微型計(jì)算機(jī)陣列仿真 采用多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成全數(shù)字式仿真系統(tǒng)即微型計(jì)算機(jī)陣列仿真，可以進(jìn)一步提高仿真的功能和自動(dòng)化程度，也為分布式控制系統(tǒng)仿真打下良好的基礎(chǔ)。第27頁(yè)/共30頁(yè)28 由于仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性，使得計(jì)算機(jī)仿真得到廣泛的應(yīng)用。 主要?dú)w納為以下兩個(gè)方面：1. 控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)（1）論證系統(tǒng)設(shè)計(jì)立題方案的正