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

華中科技大學(xué)電氣matlab計算機(jī)輔助設(shè)計與仿真技術(shù)概述第一頁，共22頁。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，結(jié)合所學(xué)課程《自動控制原理》，學(xué)會運(yùn)用MATLAB語言進(jìn)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(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。課程任務(wù)第二頁，共22頁。學(xué)時安排與考試形式

總學(xué)時：32（其中上機(jī)學(xué)時12）

考試方式：上機(jī)操作第一章計算機(jī)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(xué)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)容第三頁，共22頁。參考書目《MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計》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)計與分析——MATLAB語言應(yīng)用》清華大學(xué)出版社，2000年，薛定宇《基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計——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》，國防工業(yè)出版社，2001年，韓竹利第四頁，共22頁。CH1、計算機(jī)仿真和輔助設(shè)計概述第一節(jié) 計算機(jī)仿真和輔助設(shè)計的基本概念一、初識控制系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)輔助設(shè)計與仿真的概念1、計算機(jī)輔助設(shè)計的概念計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)是利用計算機(jī)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(jìn)程、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的技術(shù)。第五頁，共22頁。說明：計算機(jī)輔助設(shè)計從廣義上來講它包含了計算機(jī)仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作是利用計算機(jī)的運(yùn)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(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)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對真實(shí)過程的認(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機(jī)仿真的定義計算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。第六頁，共22頁。1、模型的定義模型是對現(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，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)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(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)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。三、計算機(jī)仿真模型第七頁，共22頁。（3）仿真模型指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以實(shí)施的模型。四、計算機(jī)仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）

1、三要素（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機(jī)：工具與手段

第八頁，共22頁。2、基本步驟包括三個基本的內(nèi)容：建模 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析第九頁，共22頁。第二節(jié) 仿真的分類一、按模型分類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)，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用（如導(dǎo)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(xùn)系統(tǒng)等），具有實(shí)時性、在線的特點(diǎn)。2、數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型在計算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時性、離線的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。第十頁，共22頁。二、按計算機(jī)類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。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(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計算機(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)字計算機(jī)上借助于數(shù)值計算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。60年代第十一頁，共22頁。計算與仿真的精度較高。理論上計算機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實(shí)驗(yàn)的自動化程度較高，可方便地實(shí)現(xiàn)顯示、打印等功能。計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會在不同程度上有所改進(jìn)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。第十二頁，共22頁。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(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強(qiáng)大，使用方便，易學(xué)。80年代以來第十三頁，共22頁。第三節(jié) 仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(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)飛行器設(shè)計中的三級仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行實(shí)驗(yàn)。飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動態(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)。第十四頁，共22頁。3、原子能工業(yè)模擬核反應(yīng)堆核電站仿真器用來訓(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)社會學(xué)宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究第十五頁，共22頁。二、應(yīng)用仿真技術(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)往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。第十六頁，共22頁。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(yù)測的特殊功能對一些真實(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(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，這時通過仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識。第十七頁，共22頁。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(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)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(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達(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。第十八頁，共22頁。第四節(jié) 計算機(jī)仿真軟件一、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(yùn)算、繪圖等）都是用高級算法語言（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(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)等低級問題。第十九頁，共22頁。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(qiáng)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(yùn)行，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計算機(jī)語言，而是一種高級的科學(xué)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。第二十頁，共22頁。本章小結(jié)仿真是對系統(tǒng)進(jìn)行研究的一種實(shí)驗(yàn)方法，它的基本原則是相似性原理。數(shù)字仿真具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷的特點(diǎn)。仿真是在模型上進(jìn)行的