華中科技大學電氣 matlab 計算機輔助設(shè)計與仿真技術(shù)概述

MATLAB語言(yǔyán)與控制系統(tǒng)仿真華中科技大學電氣(diànqì)與電子工程學院應(yīng)用電子工程系康勇李勛二00一年十一月精品資料通過本課程的學習，使學生初步掌握當前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，結(jié)合所學課程《自動控制原理》，學會運用MATLAB語言進行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計的基本技能，為今后從事科學研究打下(dǎxià)較好的基礎(chǔ)。課程(kèchéng)任務(wù)精品資料學時安排與考試(kǎoshì)形式

總學時：32（其中上機學時12）

考試(kǎoshì)方式：上機操作第一章計算機仿真和輔助設(shè)計概述（1）

第二章MATLAB語言基礎(chǔ)（5）

第三章控制系統(tǒng)的數(shù)學(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）教學內(nèi)容精品資料參考書目《MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計》機械工業(yè)出版社，1997年，魏克新《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》機械工業(yè)大學出版社，1999年，張曉華《反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與分析——MATLAB語言應(yīng)用》清華大學出版社，2000年，薛定宇《基于(jīyú)MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計——控制系統(tǒng)》，西安電子科技大學出版社，1999年，樓順天《MATLAB5.X應(yīng)用與技巧》，科學出版社，1999年，蒙以正《MATLAB5.X入門與應(yīng)用》，科學出版社，1999年，柳承茂《MATLAB電子仿真與應(yīng)用》，國防工業(yè)出版社，2001年，韓竹利精品資料CH1、計算機仿真(fǎnɡzhēn)和輔助設(shè)計概述第一節(jié) 計算機仿真和輔助設(shè)計的基本概念一、初識控制系統(tǒng)計算機仿真和輔助設(shè)計例exp1_1.m例exp1_2.m/exp1_3.m/exm1_2.mdl二、計算機輔助設(shè)計與仿真的概念1、計算機輔助設(shè)計的概念計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)(jìshù)是利用計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和處理數(shù)據(jù)的能力，結(jié)合設(shè)計者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計進程、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的技術(shù)(jìshù)。精品資料說明：計算機輔助設(shè)計從廣義上來講它包含了計算機仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作(gōngzuò)是利用計算機的運算能力來處理設(shè)計者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2、計算機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)學的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機仿真的定義計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進行分析與研究的方法。精品資料1、模型的定義模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量(dìngliàng)抽象，是人們認識事物的一種手段或工具。2、模型的分類（1）物理模型指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實體，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)學模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進行相似，用數(shù)學的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。三、計算機仿真(fǎnɡzhēn)模型精品資料（3）仿真模型指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機可以實施的模型。四、計算機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)的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機：工具與手段

精品資料2、基本步驟包括(bāokuò)三個基本的內(nèi)容：建模 仿真實驗結(jié)果分析精品資料第二節(jié) 仿真(fǎnɡzhēn)的分類一、按模型分類1、物理仿真：采用物理模型，有實物介入！具有效果逼真，精度高等優(yōu)點，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用（如導彈、衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(péixùn)系統(tǒng)等），具有實時性、在線的特點。2、數(shù)學仿真：采用數(shù)學模型在計算機上進行，具有非實時性、離線的特點，經(jīng)濟、快速、實用。精品資料二、按計算機類型(lèixíng)分類1、模擬仿真：采用數(shù)學模型，在模擬計算機上進行的實驗研究(yánjiū)。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計算機的核心是運算部分，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要部件所構(gòu)成。2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算方法所進行的仿真實驗。60年代精品資料計算與仿真的精度較高。理論上計算機的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計，因此其仿真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素影響，其精度也不易定得太高。對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實驗的自動化程度較高，可方便地實現(xiàn)顯示、打印等功能。計算速度比較低，在一定(yīdìng)程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會在不同程度上有所改進與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計人員用高級程序語言編寫求解系統(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)代計算機仿真：采用(cǎiyòng)先進的微型計算機，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強大，使用方便，易學。80年代以來精品資料第三節(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)計中的三級仿真體系：純數(shù)學模擬（軟件）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行(fēixíng)實驗。飛行(fēixíng)員及宇航員訓練用飛行(fēixíng)仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動態(tài)模型實驗：電力系統(tǒng)負荷分配、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(yònɡlái)訓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)學社會學宏觀經(jīng)濟與商業(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)濟大型、復雜系統(tǒng)直接實驗是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實驗的成本約在1億美元左右，而采用仿真實驗僅需其成本的1/10~1/5，而且(érqiě)設(shè)備可以重復使用。2、安全某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。精品資料3、快捷提高設(shè)計效率：比如電路設(shè)計，服裝設(shè)計等等。4、具有優(yōu)化設(shè)計和預測的特殊功能對一些真實系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是非常困難的，這時仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計功能。在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經(jīng)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，這時通過仿真技術(shù)的應(yīng)用(yìngyòng)可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認識。精品資料三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢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，大大增強數(shù)字仿真的實時性。2、應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷(bùduàn)推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達到更理想的境界。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)實技術(shù)：綜合了計算機圖形技術(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)等多學科，使人置身于真實環(huán)境之中。精品資料第四節(jié) 計算機仿真(fǎnɡzhēn)軟件一、仿真軟件的發(fā)展1、程序編程階段所有問題（如：微分方程求解、矩陣運算、繪圖等）都是用高級算法語言(suànfǎyǔyán)（如C、FORTRAN等）來編寫。2、程序軟件包階段出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫”。3、交互式語言階段（仿真語言）仿真語言可用一條指令實現(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，以及如何實現(xiàn)等低級問題。精品資料4、模型化圖形組態(tài)階段符合設(shè)計人員對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，適合于元件級仿真。2、SYSTEMVIEW：系統(tǒng)級的電路動態(tài)仿真軟件3、MATLAB：具有強大的數(shù)值計算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運行，所以(suǒyǐ)嚴格講，MATLAB不是一種計算機語言，而是一種高級的科學分析與計算軟件。4、SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)仿真環(huán)境。精品資料本章(běnzhānɡ)小結(jié)仿真是對系統(tǒng)進行研究(yánjiū)的一種實驗方