華中科技大學(xué)電氣 matlab 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)概述_第1頁(yè)
華中科技大學(xué)電氣 matlab 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)概述_第2頁(yè)
華中科技大學(xué)電氣 matlab 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)概述_第3頁(yè)
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MATLAB語(yǔ)言(yǔyán)與控制系統(tǒng)仿真華中科技大學(xué)電氣(diànqì)與電子工程學(xué)院應(yīng)用電子工程系康勇李勛二00一年十一月精品資料通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語(yǔ)言的基本知識(shí),結(jié)合所學(xué)課程《自動(dòng)控制原理》,學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本技能,為今后從事科學(xué)研究打下(dǎxià)較好的基礎(chǔ)。課程(kèchéng)任務(wù)精品資料學(xué)時(shí)安排與考試(kǎoshì)形式

總學(xué)時(shí):32(其中上機(jī)學(xué)時(shí)12)

考試(kǎoshì)方式:上機(jī)操作第一章計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)概述(1)

第二章MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)(5)

第三章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)(shùxué)描述與建模(4)

第四章控制系統(tǒng)的分析方法(4)

第五章SIMULINK仿真基礎(chǔ)(6)教學(xué)內(nèi)容精品資料參考書(shū)目《MATLAB語(yǔ)言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社,1997年,魏克新《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社,1999年,張曉華《反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析——MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用》清華大學(xué)出版社,2000年,薛定宇《基于(jīyú)MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——控制系統(tǒng)》,西安電子科技大學(xué)出版社,1999年,樓順天《MATLAB5.X應(yīng)用與技巧》,科學(xué)出版社,1999年,蒙以正《MATLAB5.X入門(mén)與應(yīng)用》,科學(xué)出版社,1999年,柳承茂《MATLAB電子仿真與應(yīng)用》,國(guó)防工業(yè)出版社,2001年,韓竹利精品資料CH1、計(jì)算機(jī)仿真(fǎnɡzhēn)和輔助設(shè)計(jì)概述第一節(jié) 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本概念一、初識(shí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)例exp1_1.m例exp1_2.m/exp1_3.m/exm1_2.mdl二、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真的概念1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)(jìshù)是利用計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能力,結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維,用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)(jìshù)。精品資料說(shuō)明:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從廣義上來(lái)講它包含了計(jì)算機(jī)仿真的內(nèi)容,從狹義上說(shuō)它的主要工作(gōngzuò)是利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來(lái)處理設(shè)計(jì)者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2、計(jì)算機(jī)仿真的概念仿真的定義仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來(lái)類(lèi)比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程,以尋求對(duì)真實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。計(jì)算機(jī)仿真的定義計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型,利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。精品資料1、模型的定義模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述,是對(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量(dìngliàng)抽象,是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。2、模型的分類(lèi)(1)物理模型指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體,如:飛行器研制中的飛行模型;船舶制造中的船舶模型等。(2)數(shù)學(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似,用數(shù)學(xué)的方法來(lái)再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。三、計(jì)算機(jī)仿真(fǎnɡzhēn)模型精品資料(3)仿真模型指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,用仿真語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。四、計(jì)算機(jī)仿真的三要素及基本步驟(內(nèi)容)

1、三要素(1)系統(tǒng):研究(yánjiū)的對(duì)象(2)模型:系統(tǒng)的抽象(3)計(jì)算機(jī):工具與手段

精品資料2、基本步驟包括(bāokuò)三個(gè)基本的內(nèi)容:建模 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析精品資料第二節(jié) 仿真(fǎnɡzhēn)的分類(lèi)一、按模型分類(lèi)1、物理仿真:采用物理模型,有實(shí)物介入!具有效果逼真,精度高等優(yōu)點(diǎn),但造價(jià)高或耗時(shí)長(zhǎng),大多在一些特殊場(chǎng)合下采用(如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類(lèi)飛行器的動(dòng)態(tài)仿真,發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)(péixùn)系統(tǒng)等),具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。2、數(shù)學(xué)仿真:采用數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,具有非實(shí)時(shí)性、離線的特點(diǎn),經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。精品資料二、按計(jì)算機(jī)類(lèi)型(lèixíng)分類(lèi)1、模擬仿真:采用數(shù)學(xué)模型,在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究(yánjiū)。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程比較自然、逼真,具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn),但受元器件性能影響,仿真精度較低,對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難,自動(dòng)化程度低。模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分,它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要部件所構(gòu)成。2、數(shù)字仿真:采用數(shù)學(xué)模型,在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。60年代精品資料計(jì)算與仿真的精度較高。理論上計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)可以根據(jù)精度要求來(lái)“隨意”設(shè)計(jì),因此其仿真精度可以是無(wú)限,但是由于受到誤差積累、仿真時(shí)間等因素影響,其精度也不易定得太高。對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度較高,可方便地實(shí)現(xiàn)顯示、打印等功能。計(jì)算速度比較低,在一定(yīdìng)程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,“速度問(wèn)題”會(huì)在不同程度上有所改進(jìn)與提高。數(shù)字仿真沒(méi)有專(zhuān)用的仿真軟件支持,需要設(shè)計(jì)人員用高級(jí)程序語(yǔ)言編寫(xiě)求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。精品資料3、混合仿真:結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真:采用(cǎiyòng)先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī),基于專(zhuān)用的仿真軟件、仿真語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn),其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大,使用方便,易學(xué)。80年代以來(lái)精品資料第三節(jié) 仿真技術(shù)的應(yīng)用(yìngyòng)與發(fā)展一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)飛行(fēixíng)器設(shè)計(jì)中的三級(jí)仿真體系:純數(shù)學(xué)模擬(軟件)、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行(fēixíng)實(shí)驗(yàn)。飛行(fēixíng)員及宇航員訓(xùn)練用飛行(fēixíng)仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn):電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制等。電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。精品資料3、原子能工業(yè)模擬核反應(yīng)堆核電站仿真器用來(lái)(yònɡlái)訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理。4、石油、化工及冶金工業(yè)5、非工程領(lǐng)域醫(yī)學(xué)社會(huì)學(xué)宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究精品資料二、應(yīng)用(yìngyòng)仿真技術(shù)的意義1、經(jīng)濟(jì)大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實(shí)驗(yàn)是十分昂貴的,如:空間飛行器的一次飛行實(shí)驗(yàn)的成本約在1億美元左右,而采用仿真實(shí)驗(yàn)僅需其成本的1/10~1/5,而且(érqiě)設(shè)備可以重復(fù)使用。2、安全某些系統(tǒng)(如載人飛行器、核電裝置等),直接實(shí)驗(yàn)往往會(huì)有很大的危險(xiǎn),甚至是不允許的,而采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險(xiǎn)程度,對(duì)系統(tǒng)的研究起到保障作用。精品資料3、快捷提高設(shè)計(jì)效率:比如電路設(shè)計(jì),服裝設(shè)計(jì)等等。4、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能對(duì)一些真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常困難的,這時(shí)仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。在非工程系統(tǒng)中(如社會(huì)、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)),由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大,直接實(shí)驗(yàn)幾乎不可能,這時(shí)通過(guò)仿真技術(shù)的應(yīng)用(yìngyòng)可以獲得對(duì)系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識(shí)。精品資料三、仿真技術(shù)的發(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(hù)的數(shù)字仿真軟件不斷(bùduàn)推陳出新,各種專(zhuān)家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開(kāi)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),協(xié)調(diào)合作,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)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科,使人置身于真實(shí)環(huán)境之中。精品資料第四節(jié) 計(jì)算機(jī)仿真(fǎnɡzhēn)軟件一、仿真軟件的發(fā)展1、程序編程階段所有問(wèn)題(如:微分方程求解、矩陣運(yùn)算、繪圖等)都是用高級(jí)算法語(yǔ)言(suànfǎyǔyán)(如C、FORTRAN等)來(lái)編寫(xiě)。2、程序軟件包階段出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫(kù)”。3、交互式語(yǔ)言階段(仿真語(yǔ)言)仿真語(yǔ)言可用一條指令實(shí)現(xiàn)某種功能,如“系統(tǒng)特征值的求解”,使用人員不必考慮什么算法,以及如何實(shí)現(xiàn)等低級(jí)問(wèn)題。精品資料4、模型化圖形組態(tài)階段符合設(shè)計(jì)人員對(duì)基于模型圖形化的描述。二、幾種仿真軟件1、PSPICE、ORCAD:通用的電子電路仿真軟件,適合于元件級(jí)仿真。2、SYSTEMVIEW:系統(tǒng)級(jí)的電路動(dòng)態(tài)仿真軟件3、MATLAB:具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力,包含各種工具箱,其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運(yùn)行,所以(suǒyǐ)嚴(yán)格講,MATLAB不是一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,而是一種高級(jí)的科學(xué)分析與計(jì)算軟件。4、SIMULINK:是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。精品資料本章(běnzhānɡ)小結(jié)仿真是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究(yánjiū)的一種實(shí)驗(yàn)方

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