控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真第一章-緒論-課件

第一章：

緒 論

第一章：

緒 論

21、課程簡(jiǎn)介基礎(chǔ)知識(shí)自動(dòng)控制原理(拉氏變換與拉氏反變換)現(xiàn)代控制理論(狀態(tài)空間方程)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)(采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、Z變換、Z反變換等)Matlab基礎(chǔ)知識(shí)(M語(yǔ)言編程、Simulink仿真)21、課程簡(jiǎn)介31、課程簡(jiǎn)介課程安排總課時(shí)量：32學(xué)時(shí)課堂教學(xué)：26學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)：6學(xué)時(shí)參考書(shū)籍《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》 蔣珉 電子工業(yè)出版社

《控制系統(tǒng)仿真》 鄭恩讓、聶詩(shī)良

中國(guó)林業(yè)出版社成績(jī)計(jì)算卷面成績(jī)(60%)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)(20%)+平時(shí)成績(jī)(20%)31、課程簡(jiǎn)介課程安排2、課程目的課程學(xué)習(xí)目的僅能對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)仿真是不夠的，能夠仿真復(fù)雜系統(tǒng)掌握哪些方法可用于系統(tǒng)仿真理解不同仿真方法之間精度和快速性的區(qū)別掌握提高仿真方法精度和快速性的途徑42、課程目的課程學(xué)習(xí)目的43、仿真的概念什么是仿真

仿真過(guò)程，就是建立實(shí)際系統(tǒng)的模型、并在模型的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程。也就是說(shuō)，仿真不是直接在系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，而是通過(guò)模型間接地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究的過(guò)程。

研發(fā)一種新藥

使用小白鼠進(jìn)行臨床試驗(yàn)

改進(jìn)藥物配方

進(jìn)行病理分析

投放市場(chǎng)，病人使用53、仿真的概念什么是仿真53、仿真的概念仿真實(shí)例造船時(shí)(航空母艦)，先按一定比例建造船模，然后放在水中進(jìn)行測(cè)試；在計(jì)算機(jī)上，使用Matlab軟件，模擬倒立擺及其控制系統(tǒng)，對(duì)控制器進(jìn)行改進(jìn)、研究；通過(guò)數(shù)學(xué)模型，研究甲型H1N1流感病毒、Internet中計(jì)算機(jī)病毒的傳播、蔓延趨勢(shì)；使用計(jì)算機(jī)模擬金融市場(chǎng)的運(yùn)行(金融衍生品)；63、仿真的概念仿真實(shí)例63、仿真的概念仿真的必要性在建立實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，如果存在危險(xiǎn)因素或難以實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。例如，導(dǎo)彈、宇航、核反應(yīng)堆等系統(tǒng)，如果不經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證就直接實(shí)施，可能存在極大的危險(xiǎn)。這時(shí)，人們需要建立實(shí)際系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，然后把研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中去。

仿真是非常必要、甚至是必不可少的一門(mén)科學(xué)73、仿真的概念仿真的必要性73、仿真的概念仿真的應(yīng)用場(chǎng)景系統(tǒng)處于設(shè)計(jì)階段，并沒(méi)有真正建立起來(lái)。不具備試驗(yàn)條件，不可能在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)；直接在實(shí)際系統(tǒng)上做試驗(yàn)會(huì)造成破壞性后果。例如，反應(yīng)釜或精餾塔控制系統(tǒng)中，改變某一參數(shù)，可能導(dǎo)致一爐成品報(bào)廢；在宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控時(shí)，隨意把一個(gè)決策付之行動(dòng)，可能引起市場(chǎng)混亂(“四拍”決策)；在實(shí)際系統(tǒng)上做多次試驗(yàn)時(shí)，很難保證每一次的操作條件都相同，因而無(wú)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣作出正確的判斷與評(píng)價(jià)；試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，或試驗(yàn)費(fèi)用太高，或試驗(yàn)有危險(xiǎn)；83、仿真的概念仿真的應(yīng)用場(chǎng)景83、仿真的概念仿真的優(yōu)點(diǎn)“經(jīng)濟(jì)、安全、方便、靈活、高效”。例如，在新型飛機(jī)的研制過(guò)程中，單次飛行成本約美元，采用仿真技術(shù)后僅需原成本的1/10~1/5。英法聯(lián)合研制的“協(xié)和號(hào)”飛機(jī)，由于采用了仿真技術(shù)，使研制周期縮短了1/8~1/6，設(shè)計(jì)費(fèi)用降低了15%~25%。(SolidWorks,ProE)應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。逐步發(fā)展到了電力、冶金、機(jī)械等一些主要工業(yè)部門(mén)，現(xiàn)在進(jìn)一步擴(kuò)大到了生態(tài)系統(tǒng)、石油化工等行業(yè)；93、仿真的概念仿真的優(yōu)點(diǎn)93、仿真的概念物理模型&數(shù)學(xué)模型什么是模型：模型，是對(duì)系統(tǒng)的特征和變化規(guī)律的一種定量抽象模型的分類(lèi)：

物理模型

數(shù)學(xué)模型物理模型：依據(jù)“相似原理”，將真實(shí)系統(tǒng)放大或縮小制成的山寨版；

例如：飛行器設(shè)計(jì)中的“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn)，模擬各種飛行環(huán)境；

優(yōu)點(diǎn)：效果逼真，精度很高；

局限性：造價(jià)高昂，只適用于一些特殊場(chǎng)合；103、仿真的概念物理模型&數(shù)學(xué)模型103、仿真的概念113、仿真的概念113、仿真的概念物理模型&數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)符號(hào)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式；數(shù)學(xué)模型分類(lèi)：

靜態(tài)模型：僅能表示系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)下的變量關(guān)系

動(dòng)態(tài)模型：描述系統(tǒng)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律12模型類(lèi)型靜態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型連續(xù)模型離散模型數(shù)學(xué)描述代數(shù)方程1、微分方程2、傳遞函數(shù)3、連續(xù)狀態(tài)空間方程1、差分方程2、脈沖傳遞函數(shù)3、離散狀態(tài)空間方程思考：什么叫傳遞函數(shù)，什么叫脈沖傳遞函數(shù)？3、仿真的概念物理模型&數(shù)學(xué)模型12模型類(lèi)型靜態(tài)模型動(dòng)態(tài)3、仿真的概念物理模型&數(shù)學(xué)模型注意：無(wú)論靜態(tài)數(shù)學(xué)模型還是動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型都要求具有抽象性(去粗取精、去偽存真)，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上仿真還要求具有遞歸性；數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)：具有經(jīng)濟(jì)、方便、模型參數(shù)易修改等特點(diǎn)，已經(jīng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用；數(shù)學(xué)模型的缺點(diǎn)：受不同的計(jì)算機(jī)軟、硬件檔次限制，在計(jì)算容量、仿真速度和精度等方面存在不同的差別；133、仿真的概念物理模型&數(shù)學(xué)模型133、仿真的概念物理仿真&數(shù)學(xué)仿真早期的仿真大多采用物理仿真，因?yàn)橄到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易構(gòu)成仿真系統(tǒng)；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)日益復(fù)雜，采用物理仿真難度較大；與此同時(shí)，數(shù)值分析的推廣、現(xiàn)代控制理論的崛起和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使數(shù)學(xué)仿真得到了廣泛應(yīng)用；(工具的重要性)數(shù)學(xué)仿真就是通過(guò)一定途徑，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通常使用計(jì)算機(jī)作為工具，因此也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)仿真；143、仿真的概念物理仿真&數(shù)學(xué)仿真143、仿真的概念解析解&數(shù)值解解析解：(AnalyticalSolution)，使用解析法得到的系統(tǒng)解的形式。解析解給出解的具體函數(shù)形式，通過(guò)解的表達(dá)式可以計(jì)算出任何時(shí)刻的值。是應(yīng)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、演繹的方法得到的解；

注：解析法能夠得到關(guān)于問(wèn)題的一般性答案(微分方程的通解+特解)數(shù)值解：(NumericalSolution)，使用仿真法得到系統(tǒng)解的形式。數(shù)值解是在特定條件下通過(guò)近似計(jì)算得出來(lái)的一個(gè)數(shù)值；

注：仿真法的每一次運(yùn)行只能得到在特定條件下的數(shù)值解153、仿真的概念解析解&數(shù)值解153、仿真的概念解析解&數(shù)值解假設(shè)某系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：16解析解：數(shù)值解：一般以表格或圖形的形式給出t00.10.20.3…1.0數(shù)值解10.90.8190.7519…0.4627810解析解10.90910.83330.7692…0.53、仿真的概念解析解&數(shù)值解16解析解：數(shù)值解：一般以表3、仿真的概念解析法&仿真法的比較采用仿真法研究系統(tǒng)時(shí)，為了掌握某一參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，需要在不同條件下反復(fù)試驗(yàn)才能得出結(jié)論，而且這個(gè)結(jié)論往往是不全面的。從這個(gè)方面說(shuō)，解析法優(yōu)于仿真法；但是，使用解析法求解時(shí)，要求數(shù)學(xué)模型不能太復(fù)雜，階次不能太高。需要盡可能簡(jiǎn)化模型，而模型的過(guò)度簡(jiǎn)化則可能喪失其實(shí)際意義；實(shí)際系統(tǒng)大多是非線性、分布參數(shù)或高階的復(fù)雜系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型無(wú)法用解析法求解。從這個(gè)方面說(shuō)，仿真法優(yōu)于解析法；173、仿真的概念解析法&仿真法的比較173、仿真的概念控制系統(tǒng)仿真的三要素三要素：系統(tǒng)(研究的對(duì)象)、模型(系統(tǒng)的抽象)、計(jì)算機(jī)(工具與手段)18模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建模仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解析法建模辨識(shí)法建模綜合法建模分析、驗(yàn)證3、仿真的概念控制系統(tǒng)仿真的三要素18模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建模仿真3、仿真的概念控制系統(tǒng)建模模型的重要性：控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是以“數(shù)學(xué)模型”為基礎(chǔ)的，系統(tǒng)建模的過(guò)程至關(guān)重要，決定了系統(tǒng)仿真的成??；建模方法

解析法：根據(jù)系統(tǒng)各變量所遵循的物理、化學(xué)基本定律，列寫(xiě)變量間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

牛頓運(yùn)動(dòng)定律、基爾霍夫定律、動(dòng)力學(xué)定律

辨識(shí)法：對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，得到數(shù)學(xué)模型。

綜合法：解析法和辨識(shí)法相結(jié)合的一種建模方法。193、仿真的概念控制系統(tǒng)建模193、仿真的概念20仿真步驟建立模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3、仿真的概念20仿真步驟建立模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真21r(t)彈簧質(zhì)量阻尼器y(t)外力r(t)是系統(tǒng)的輸入量，質(zhì)量塊的位移y(t)是系統(tǒng)的輸出量。當(dāng)質(zhì)量m=1，彈簧的剛性系數(shù)k=4時(shí)，試確定為了使系統(tǒng)在階躍響應(yīng)時(shí)不發(fā)生振蕩，阻尼系數(shù)f的取值范圍。思考：如何為系統(tǒng)加上階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)？4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真21r(t)彈簧質(zhì)量阻尼4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，描述質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：也可用狀態(tài)空間方程作為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：22思考：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是什么？4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真22思考：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真模型：離散化，將連續(xù)狀態(tài)空間方程轉(zhuǎn)化為離散狀態(tài)空間方程，便于計(jì)算機(jī)迭代求解；23注意：在后續(xù)課程中將講述數(shù)學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)換方法。4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真23注意：在后續(xù)課程中將4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真編寫(xiě)仿真程序244、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真244、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真編寫(xiě)仿真程序25在此使用Simulink進(jìn)行仿真研究。使用較為簡(jiǎn)單的傳遞函數(shù)形式：4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真25在此使用Simuli4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真仿真實(shí)驗(yàn)，f=5,2,3和3.5264、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真264、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真仿真結(jié)果分析27對(duì)于f∈[2,5]，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，可以得出f≈3.5為臨界值。當(dāng)f>3.5時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象4、仿真示例質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)仿真27對(duì)于f∈[2,5]5、仿真技術(shù)的應(yīng)用常用的仿真軟件Multisim、ElectronicsWorkbench、PSPICE：系統(tǒng)級(jí)的電路仿真軟件；MATLAB：具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，包含各種工具箱；Simulink：是MATLAB附帶的基于圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境(用于控制、電力、金融等系統(tǒng)的仿真)；Labview：虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件；Proteus：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)仿真軟件；285、仿真技術(shù)的應(yīng)用常用的仿真軟件286、仿真技術(shù)的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)向廣闊的時(shí)空發(fā)展：以現(xiàn)代復(fù)雜軍事系統(tǒng)為例，涉及：戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)決策系統(tǒng)，指揮、通信、運(yùn)輸系統(tǒng)，武器和運(yùn)載系統(tǒng)，地面與空間各軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)等，均可通過(guò)仿真予以模擬；向快速、高效與海量信息通道發(fā)展：對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)、分布系統(tǒng)、綜合系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，由于信息量龐大，必須對(duì)信息進(jìn)行快速傳輸、變換和處理，因此，全數(shù)字并行仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將會(huì)有長(zhǎng)足發(fā)展；向規(guī)范化模型驗(yàn)證技術(shù)發(fā)展：如果沒(méi)有規(guī)范化模型驗(yàn)證，將無(wú)法評(píng)價(jià)模型的正確性和置信度，仿真的精度和可靠性將無(wú)法保證；296、仿真技術(shù)的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)296、仿真技術(shù)的發(fā)展發(fā)展趨勢(shì)向虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展：為用戶(hù)提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)的逼真的仿真系統(tǒng)，使人如同身臨其境；向一體化、智能化仿真環(huán)境發(fā)展：開(kāi)展系