匯總 第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真概述

1、MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿真宋洪軍聯(lián)系(linx)郵箱：共十九頁機(jī)電學(xué)院副教授IEEE Member山東省自動(dòng)化學(xué)會(huì)(xuhu)機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)委員山東省科學(xué)院特聘專家北京大學(xué)訪問學(xué)者新加坡南洋理工大學(xué)訪問學(xué)者研究方向：機(jī)器人與人工智能智能交通嵌入式系統(tǒng)云計(jì)算共十九頁課程重點(diǎn)Matlab/Simulink學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)仿真技術(shù)課程考察(koch)出勤+平時(shí)成績(jī)30%考試成績(jī)70%上機(jī)試驗(yàn)共十九頁1.1 引言1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)分類1.4 控制系統(tǒng)仿真(fn zhn)基本概念1.5 MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真1

2、.6 MATLAB中控制相關(guān)的工具箱第 1章 自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)與仿真概述共十九頁內(nèi)容提要(ni rn t yo)本章描述自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念及自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真(fn zhn)的基本知識(shí)，介紹自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真(fn zhn)的概念、組成、分類以及MATLAB控制系統(tǒng)仿真等基礎(chǔ)知識(shí)。通過本章，讀者對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真以及本書的主要內(nèi)容能有整體的認(rèn)識(shí)。共十九頁1.2自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)基本概念1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)與閉環(huán)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)圖1.2 閉環(huán)控制示意圖 圖1.1 開環(huán)控制示意圖 共十九頁1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)(xtng)組成結(jié)構(gòu)（1

3、）給定環(huán)節(jié)：它是設(shè)定被控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(cè)的被控制量和給定量進(jìn)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(hào)變換成適于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的信號(hào)。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：一般由傳動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接(zhji)作用于控制對(duì)象，使被控制量達(dá)到所要求的數(shù)值。（5）控制對(duì)象或調(diào)節(jié)對(duì)象：它是指要進(jìn)行控制的設(shè)備或過程。（6）檢測(cè)裝置或傳感器：用于檢測(cè)被控制量，并將其轉(zhuǎn)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。共十九頁1.2.3 反饋(fnku)控制系統(tǒng)品質(zhì)要求反饋(fnku)控制系統(tǒng)品質(zhì)要求可以

4、歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)。1穩(wěn)定性穩(wěn)定性對(duì)于不同的系統(tǒng)有不同的要求。定點(diǎn)控制跟蹤控制是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。2快速性快速性是指對(duì)過渡過程的形式和快慢提出的要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能或暫態(tài)性能。3準(zhǔn)確性準(zhǔn)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(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出量的實(shí)際值和期望值之間的誤差。共十九頁1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)分類線性系統(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(shù)與自變量有關(guān)，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

5、制系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)各部分信號(hào)均以模擬的連續(xù)函數(shù)形式表示；離散系統(tǒng)的某一處或幾處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)字形式表示的。恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)恒值系統(tǒng)要求被控制量保持在恒定值，其給定量是不變。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，給定量是按照事先不知道的時(shí)間(shjin)函數(shù)變化，要求輸出量跟隨給定量的變化而變化。共十九頁1.4 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿真基本概念系統(tǒng)仿真作為一種特殊(tsh)的試驗(yàn)技術(shù)，在20世紀(jì)3090年代的半個(gè)多世紀(jì)中經(jīng)歷了飛速發(fā)展，到今天已經(jīng)發(fā)展成為一種真正的、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對(duì)真實(shí)過程的認(rèn)識(shí)，它所遵循的基本原則是相

6、似性原理。共十九頁1.4.1 計(jì)算機(jī)仿真(fn zhn)基本概念1 模型模型可以分為（1）物理模型。（2）數(shù)學(xué)模型。（3）仿真模型2 仿真分類從模型角度可分為物理仿真和數(shù)學(xué)仿真。從計(jì)算機(jī)類型角度可分為模擬仿真、數(shù)字仿真、混合仿真、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真。3 仿真應(yīng)用仿真技術(shù)有著(yu zhe)廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用的深度和廣度也越來越大，目前主要應(yīng)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(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、社會(huì)學(xué)、宏觀經(jīng)濟(jì)和商業(yè)策略的研究等4 仿真技術(shù)應(yīng)用意義 仿真技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義，主要體現(xiàn)在：（1）經(jīng)濟(jì)。（2）安全。（3）快捷。（4）具有優(yōu)

7、化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能共十九頁1.4.2 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿真控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支，它是一門涉及自動(dòng)控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)辨識(shí)、控制工程以及系統(tǒng)科學(xué)的綜合性新型學(xué)科。它為控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算、研究、綜合設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等提供了快速、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)及有效的手段?？刂葡到y(tǒng)仿真就是以控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型替代實(shí)際控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析、評(píng)估及預(yù)測(cè)研究的一種技術(shù)與方法?？刂葡到y(tǒng)仿真通過(tnggu)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，編寫程序運(yùn)算語句，使之能自動(dòng)求解各環(huán)節(jié)變量的動(dòng)態(tài)變化情況，從而得到關(guān)于系統(tǒng)輸出和

8、所需要的中間各變量的有關(guān)數(shù)據(jù)、曲線等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的分析與設(shè)計(jì)。共十九頁1.4.3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真(fn zhn)基本過程共十九頁1.4.4 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（1）硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性。（2）應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入(shnr)地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。（3）分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行分布式仿真，投資少，效果好。（4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感

9、器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人仿佛置身于真實(shí)環(huán)境之中，這就是“仿真”追求的最終目標(biāo)。共十九頁1.5 MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿真控制系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真有兩種途徑：（1）在MATLAB的命令窗口下，運(yùn)行M文件，調(diào)用指令和各種用于系統(tǒng)(xtng)仿真的函數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)(xtng)仿真。（2）直接在Simulink窗口上進(jìn)行面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖的系統(tǒng)仿真共十九頁1.5.1 MATLAB適合控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿真的特點(diǎn)MATLAB具有以下主要(zhyo)特點(diǎn)，非常適合于控制系統(tǒng)的仿真。（1）強(qiáng)大的運(yùn)算功能。（2）特殊

10、功能的TOOLBOX工具箱。（3）高效的編程效率。（4）簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語言。（5）方便友好的編程環(huán)境。共十九頁1.5.2 Simulink適合控制系統(tǒng)仿真(fn zhn)的特點(diǎn)Simulink它采用系統(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(jinl)系統(tǒng)模型而不需要花較多時(shí)間編程。正由于這些特點(diǎn)，Simulink廣泛流行，被認(rèn)為是最受歡迎的仿真軟件。Simulink實(shí)進(jìn)行系統(tǒng)仿真非常簡(jiǎn)單，只需要如下的幾個(gè)步驟：（1）啟動(dòng)Simulink，進(jìn)入Simulink窗口；（2）在Simulink窗口下，借助Simulink模塊庫，創(chuàng)建系統(tǒng)框圖模型并調(diào)整模塊參數(shù)；（3）設(shè)置仿真參數(shù)后，啟動(dòng)仿

11、真；（4）輸入仿真結(jié)果。共十九頁1.6 MATLAB中控制(kngzh)相關(guān)的工具箱MATLAB中與控制相關(guān)的基礎(chǔ)工具箱主要(zhyo)有6個(gè)：控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（System Identification Toolbox）模型預(yù)測(cè)控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox）魯棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（Neural Network Toolbox）模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）共十九頁內(nèi)容摘要MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真。1.5 MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真。第 1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真概述。1.2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)。（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(hào)變換成適于控制執(zhí)