MATLAB控制模型及仿真技術(shù)課件

控制模型及仿真技術(shù)測(cè)控技術(shù)與儀器系楊偉東MATLAB控制模型及仿真技術(shù)控制模型及仿真技術(shù)測(cè)控技術(shù)與儀器系楊偉東MATLAB控1課程簡(jiǎn)介及要求1.課程性質(zhì)及教學(xué)目的控制模型與仿真是從事自動(dòng)化、控制系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)人員應(yīng)該掌握的一門(mén)新型技術(shù)，是分析、研究、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的強(qiáng)有力工具，是自動(dòng)控制、機(jī)電控制、測(cè)量控制、計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)應(yīng)用技術(shù)課程。本課程的授課目的在于適應(yīng)當(dāng)前科技發(fā)展的需要，學(xué)習(xí)控制與仿真的基本知識(shí)、基本理論及其應(yīng)用技術(shù)，掌握在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行系統(tǒng)仿真的原理、模型變換方法、程序設(shè)計(jì)及調(diào)試、運(yùn)行等技能，為今后在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)課程簡(jiǎn)介及要求1.課程性質(zhì)及教學(xué)目的MATLAB控制模型2課程簡(jiǎn)介及要求2.課程教學(xué)安排教學(xué)參考學(xué)時(shí)：24學(xué)時(shí)其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)考試形式：命題3.課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)基本知識(shí)與基本概念計(jì)算機(jī)仿真的概念仿真算法的描述和實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)性能的分析方法微分方程傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖狀態(tài)空間描述時(shí)域法及其應(yīng)用頻域法及其應(yīng)用MATLAB控制模型及仿真技術(shù)課程簡(jiǎn)介及要求2.課程教學(xué)安排MATLAB控制模型及仿真技3課程簡(jiǎn)介及要求仿真方法描述、程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

數(shù)值積分法仿真原理、程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用離散相似法仿真原理、程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用仿真工具及其應(yīng)用

MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的介紹及其應(yīng)用SIMULINK交互式仿真環(huán)境和基本操作隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生時(shí)間步長(zhǎng)法事件步長(zhǎng)法MATLAB控制模型及仿真技術(shù)課程簡(jiǎn)介及要求仿真方法描述、程序設(shè)計(jì)及其應(yīng)用MATLAB控4教材：張曉華，《系統(tǒng)建模與仿真》，清華大學(xué)出版社，2007年主要參考資料：齊歡，《系統(tǒng)建模與仿真》，清華大學(xué)出版社，2004年，張曉華，《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》，機(jī)械工業(yè)出版社，1999年樓順天，《基于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，張志涌，《精通MATLAB6.5版》，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年MATLAB控制模型及仿真技術(shù)教材：MATLAB控制模型及仿真技術(shù)5控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)自動(dòng)控制的基本概念及其應(yīng)用控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念第1章MATLAB控制模型及仿真技術(shù)控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)自動(dòng)控制的基本概念及其應(yīng)用第1章MATL6控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)1.1自動(dòng)控制的基本概念及其應(yīng)用

1.1.1控制理論的發(fā)展

1.經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論以反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性為目標(biāo)，主要研究單輸入/單輸出（SISO）系統(tǒng)。此類(lèi)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)主要以拉普拉斯（Laplace）變換和Z變換為數(shù)學(xué)工具，用微分方程、傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖等描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，用時(shí)域法、頻域響應(yīng)、根軌跡法來(lái)分析研究和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)1.1自動(dòng)控制的基本概念及其應(yīng)用MA7

經(jīng)典控制理論特點(diǎn)：（1）本質(zhì)上是一種頻域法，以控制系統(tǒng)的輸入/輸出特性作為研究的依據(jù)，側(cè)重于系統(tǒng)的輸出響應(yīng)性能。（2）在特定信號(hào)作用下對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析并研究系統(tǒng)輸出的響應(yīng)。（3）系統(tǒng)控制器由能實(shí)現(xiàn)典型控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器構(gòu)成，通過(guò)校正使控制系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的響應(yīng)性能。（4）經(jīng)典控制理論的基本內(nèi)容包括時(shí)域法、頻域法、根軌跡法、描述函數(shù)法、相平面法、代數(shù)與幾何判據(jù)以及校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)等，研究的主要問(wèn)題是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，以及改善系統(tǒng)性能的方法?？刂婆c仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)經(jīng)典控制理論特點(diǎn)：控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATLAB82.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論以線(xiàn)性代數(shù)為數(shù)學(xué)工具，用狀態(tài)空間法來(lái)描述系統(tǒng)的內(nèi)部性能，用零極點(diǎn)配置、最優(yōu)控制、狀態(tài)方程等理論來(lái)研究和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。主要處理多輸入/多輸出（MIMO）系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控性、能觀測(cè)性等問(wèn)題?？刂婆c仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)2.現(xiàn)代控制理論控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATLAB控制模型及9

現(xiàn)代控制理論特點(diǎn)：（1）本質(zhì)上是一種時(shí)域方法，建立在狀態(tài)變量的基礎(chǔ)上以多變量、線(xiàn)性及非線(xiàn)性系統(tǒng)為研究對(duì)象。（2）以狀態(tài)空間法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種定性和定量的分析以及期望特性的控制規(guī)律設(shè)計(jì)。（3）以現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法為主要分析手段。（4）以計(jì)算機(jī)為主要計(jì)算及分析工具。（5）能夠處理復(fù)雜非線(xiàn)性、多輸入/多輸出、參數(shù)時(shí)變等復(fù)雜控制對(duì)象。控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)現(xiàn)代控制理論特點(diǎn)：控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATL101.1.2自動(dòng)控制的概念及其應(yīng)用1．系統(tǒng)的定義

在控制工程中，系統(tǒng)的定義為：按照某些規(guī)律結(jié)合起來(lái)，互相作用、互相依存的所有實(shí)體的集合或總和．

例如：一個(gè)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)可以看作是一個(gè)系統(tǒng)，它由相互聯(lián)系和相互作用的采礦、選礦、煉鋼、軋鋼、制品等工廠有機(jī)的組合在一起。又如：一個(gè)工廠管理系統(tǒng)，它可由生產(chǎn)管理部門(mén)、原材料倉(cāng)庫(kù)、生產(chǎn)加工車(chē)間、銷(xiāo)售服務(wù)部門(mén)等組成，各部門(mén)是相互聯(lián)系和相互作用的。系統(tǒng)邊界：為了限制所研究問(wèn)題涉及的范圍,用系統(tǒng)邊界把所研究的系統(tǒng)與影響系統(tǒng)的環(huán)境區(qū)分開(kāi)來(lái).控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.1.2自動(dòng)控制的概念及其應(yīng)用控制與仿真的基礎(chǔ)知識(shí)MA11圖1-1溫度控制系統(tǒng)

MATLAB控制模型及仿真技術(shù)圖1-1溫度控制系統(tǒng)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)122．系統(tǒng)的三要素

構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具備以下三大要素：（1）

實(shí)體：系統(tǒng)是由一些相互聯(lián)系的實(shí)際物體組合而成的，這些物體稱(chēng)為實(shí)體。如圖1-1所示的溫度控制系統(tǒng)，它就是由比較器、調(diào)節(jié)器、加熱爐、溫度傳感器等裝置組合而成的。（2）

屬性：組成系統(tǒng)的每個(gè)實(shí)體都具備一定的特征，也即系統(tǒng)的屬性，可以是文字型、數(shù)字型或邏輯型。例如圖1-1溫度控制系統(tǒng)中的溫度、偏差值、干擾量、燃料量等就是實(shí)體的屬性。（3）活動(dòng)：作為系統(tǒng)三大要素之一的是系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)(指在某一時(shí)刻實(shí)體及其屬性值的集合)發(fā)生的變化過(guò)程，稱(chēng)之為活動(dòng)。在溫度控制系統(tǒng)中，以調(diào)節(jié)電壓或燃料的輸入量作為主要的活動(dòng)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)2．系統(tǒng)的三要素MATLAB控制模型及仿真技術(shù)133.系統(tǒng)的特性（1）整體性：系統(tǒng)作為一個(gè)整體存在，各組成部分不可分割。（2）結(jié)構(gòu)性：各類(lèi)系統(tǒng)均按照一定的內(nèi)部特性或外部結(jié)構(gòu)組合而成。（3）相關(guān)性：系統(tǒng)內(nèi)部各物體之間以一定的規(guī)律進(jìn)行相互聯(lián)系和作用。（4）歷時(shí)性：在控制過(guò)程中會(huì)隨著時(shí)間的推移，使系統(tǒng)的狀態(tài)和效果發(fā)生變化。（5）有序性：各實(shí)體在變化過(guò)程中按照一定的操作順序進(jìn)行動(dòng)作。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)3.系統(tǒng)的特性MATLAB控制模型及仿真技術(shù)141.1.3自動(dòng)控制的任務(wù)1.基本概念（1）控制：對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)、管理和操縱的過(guò)程。（2）自動(dòng)控制：采用控制裝置有目的地對(duì)機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制并達(dá)到預(yù)期狀態(tài)或性能的過(guò)程。（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)：能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象的一些物理量進(jìn)行自動(dòng)控制的有機(jī)整體。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.1.3自動(dòng)控制的任務(wù)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)15

2．自動(dòng)控制的任務(wù)自動(dòng)控制的任務(wù)就是利用控制裝置自動(dòng)地操縱控制對(duì)象，使被控量等于系統(tǒng)所應(yīng)保持的給定值。如果系統(tǒng)的輸入量以時(shí)間函數(shù)來(lái)表示，輸出量以時(shí)間函數(shù)來(lái)表示，則自動(dòng)控制的任務(wù)可以表示為：

MATLAB控制模型及仿真技術(shù)2．自動(dòng)控制的任務(wù)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)161.1.4自動(dòng)控制的基本方式按照系統(tǒng)輸入信號(hào)特點(diǎn)和有無(wú)測(cè)量反饋信號(hào)，可將系統(tǒng)控制方式分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類(lèi)，開(kāi)環(huán)控制又有按給定值操縱和按干擾值補(bǔ)償兩種方式。

1.按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制該方式是按照系統(tǒng)的給定值來(lái)控制輸出量，兩者之間一一對(duì)應(yīng)。控制過(guò)程如圖1-2所示。

MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.1.4自動(dòng)控制的基本方式MATLAB控制模型及仿真技17圖1-2按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)圖1-2按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)MATLAB控制模型及18按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：信號(hào)單向傳遞。給定一個(gè)輸入與之對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出?？刂凭缺容^低，自身無(wú)法糾正內(nèi)部和外部的干擾影響。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)。多用于精度要求不高，內(nèi)外部干擾影響比較小的場(chǎng)合。例如，自動(dòng)化流水線(xiàn)、自動(dòng)售貨機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)等都是采用給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制方式。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)按給定值操縱的開(kāi)環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：MATLAB控制模型及仿192.按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制該方式中，系統(tǒng)的輸入量是外部干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)量利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以補(bǔ)償或抵消其對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。其控制過(guò)程如圖1-3所示。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)2.按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制MATLAB控制模型及仿真技術(shù)20圖1-3按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制MATLAB控制模型及仿真技術(shù)圖1-3按干擾補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制MATLAB控制模型及仿真技21按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：外部輸入的干擾量經(jīng)測(cè)量、計(jì)算、執(zhí)行裝置到被控對(duì)象單向傳遞。在系統(tǒng)的干擾信號(hào)端加入測(cè)量裝置以后，可將干擾量檢測(cè)出來(lái)并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。該方式通常用于系統(tǒng)內(nèi)外部干擾信號(hào)較大且可以測(cè)量的場(chǎng)合。例如，機(jī)械加工恒速控制裝置，電源穩(wěn)壓控制裝置等都是按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制方式。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)按干擾值補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制具備以下特點(diǎn)：MATLAB控制模型及仿22按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制（反饋控制）系統(tǒng)輸出量反饋到輸入端產(chǎn)生偏差后對(duì)輸出量再進(jìn)行控制的系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋是把系統(tǒng)輸出量全部或一部分回送到輸入端以增強(qiáng)或減弱輸入信號(hào)的效應(yīng)。起增強(qiáng)效應(yīng)時(shí)為正反饋，起減弱效應(yīng)時(shí)為負(fù)反饋。正反饋會(huì)使系統(tǒng)的偏差越來(lái)越大；只有負(fù)反饋控制才能完成自動(dòng)控制的任務(wù)。閉環(huán)控制的原理就是通過(guò)傳感器測(cè)量出系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，反饋到輸入端與系統(tǒng)的給定值比較產(chǎn)生偏差，再按照偏差的大小自動(dòng)地加以修正。其控制過(guò)程如圖1-4所示。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制（反饋控制）MATLAB控制模型及仿真技23圖1-4按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制MATLAB控制模型及仿真技術(shù)圖1-4按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制MATLAB控制模型及仿真技24

按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)過(guò)程：（1）輸入量＋測(cè)量反饋＋比較環(huán)節(jié)→產(chǎn)生測(cè)量偏差；（2）放大環(huán)節(jié)＋執(zhí)行機(jī)構(gòu)→消除偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)特點(diǎn)：信號(hào)既可單向傳遞又有反饋傳遞，形成閉合回路。為了得到偏差信號(hào)必須采用負(fù)反饋?？勺詣?dòng)修正輸出量的偏差，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外部干擾進(jìn)行補(bǔ)償?？刂凭容^高，使用場(chǎng)合比較廣。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)過(guò)程：MATLAB254.開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低，系統(tǒng)調(diào)試方便，但抗干擾能力差，控制精度較低，一般多用于控制過(guò)程比較簡(jiǎn)單、精度要求不高的場(chǎng)合。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)糾正偏差的能力，并可對(duì)內(nèi)、外部干擾信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，控制精度高，但組成的系統(tǒng)包含元件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也較高，多用于控制精度要求較高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的場(chǎng)合。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)4.開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較MATLAB控制模型及仿真261.1.5對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求對(duì)控制系統(tǒng)的總體性能要求是：系統(tǒng)穩(wěn)定程度高動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)性好動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短最終控制精度高工程上把它歸結(jié)為穩(wěn)、快、準(zhǔn)三個(gè)方面。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.1.5對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求MATLAB控制模型及仿真27

控制原理需要解決的問(wèn)題和方法：（1）分析系統(tǒng)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)、參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。（2）分析參量與暫態(tài)響應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及控制規(guī)律，提供計(jì)算暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的方法。（3）指出系統(tǒng)的控制規(guī)律、參量與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系，給出計(jì)算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的方法。（4）當(dāng)原有性能不能達(dá)到規(guī)定的性能指標(biāo)時(shí)，根據(jù)需求適當(dāng)加入校正裝置，提供改善系統(tǒng)整體性能的方法和手段。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)控制原理需要解決的問(wèn)題和方法：MATLAB控制模型及仿281.2控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)1.2.1控制系統(tǒng)的組成典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1-5所示，圖中相應(yīng)控制信號(hào)和各類(lèi)裝置、名詞術(shù)語(yǔ)討論如下。圖1-5典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.2控制系統(tǒng)的組成及分類(lèi)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)291.典型裝置及其含義（1）控制裝置G1：能夠?qū)Ρ豢貙?duì)象起控制作用的設(shè)備總稱(chēng)。（2）被控對(duì)象G2：系統(tǒng)中的控制對(duì)象。（3）反饋環(huán)節(jié)H：用于檢測(cè)系統(tǒng)輸出狀況的測(cè)量裝置。（4）比較環(huán)節(jié)：也稱(chēng)比較元件，系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)疊加的作用點(diǎn)，以產(chǎn)生偏差信號(hào)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.典型裝置及其含義MATLAB控制模型及仿真技術(shù)302.各類(lèi)信號(hào)及其含義（1）輸入信號(hào)r：系統(tǒng)給定值。（2）輸出信號(hào)c：系統(tǒng)的輸出量。（3）主反饋信號(hào)b：主反饋環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)。（4）偏差信號(hào)e：輸入信號(hào)與主反饋信號(hào)之差，e＝r－b。（5）控制信號(hào)m：控制裝置的輸出量。（6）干擾信號(hào)n：系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾量。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)2.各類(lèi)信號(hào)及其含義MATLAB控制模型及仿真技術(shù)31

3.有關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)（1）前向通道：從輸入端到輸出端的正向傳輸通道。（2）主反饋通道：從輸出量到主反饋信號(hào)之間的通道。（3）主反饋回路：前向通道與主反饋通道所形成的連續(xù)傳輸?shù)拈]合回路。（4）局部反饋回路：信號(hào)從前向通道與反饋通道連續(xù)傳輸?shù)拈]合回路。（5）單位反饋系統(tǒng)：當(dāng)主反饋環(huán)節(jié)的H=1時(shí)，主反饋信號(hào)等于輸出量的系統(tǒng)。（6）非單位反饋系統(tǒng)：主反饋信號(hào)不等于輸出量的系統(tǒng)，此時(shí)主反饋環(huán)節(jié)H≠1。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)3.有關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)321.2.2控制系統(tǒng)的分類(lèi)1.按系統(tǒng)的物理特征分類(lèi)（1）工程系統(tǒng)（2）非工程系統(tǒng)2.按系統(tǒng)的輸出特征分類(lèi)（1）隨動(dòng)系統(tǒng)（2）自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)（3）程序控制系統(tǒng)（4）數(shù)字控制系統(tǒng)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.2.2控制系統(tǒng)的分類(lèi)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)333.按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分類(lèi)（1）線(xiàn)性系統(tǒng)（2）非線(xiàn)性系統(tǒng)4.按系統(tǒng)中信號(hào)的變化規(guī)律分類(lèi)（1）線(xiàn)性連續(xù)系統(tǒng)（2）采樣系統(tǒng)（3）離散事件系統(tǒng)5.按系統(tǒng)的復(fù)雜程度分類(lèi)（1）簡(jiǎn)單系統(tǒng)（2）復(fù)雜系統(tǒng)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)3.按系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分類(lèi)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)341.3計(jì)算機(jī)仿真的概述1.3.1系統(tǒng)仿真的概念和仿真過(guò)程1.仿真的定義:

所謂仿真是指利用模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程，或者說(shuō)，仿真是一種通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)揭示系統(tǒng)原型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法。這里的原型是指現(xiàn)實(shí)世界中某一待研究的對(duì)象，模型是指與原型的某一特征相似的另一客觀對(duì)象，是對(duì)所要研究的系統(tǒng)在某些特定方面的抽象。通過(guò)模型來(lái)對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行研究，將具有更深刻、更集中的特點(diǎn)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)仿真的概述1.3.1系統(tǒng)仿真的概念和仿真351.3計(jì)算機(jī)仿真的概述實(shí)際系統(tǒng)的模型通常分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩種。系統(tǒng)仿真就是以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。2.數(shù)據(jù)相似原理為了研究實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，常常要采用數(shù)據(jù)相似的原理。數(shù)據(jù)相似原理的主要表現(xiàn)在：（1）描述原型和模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式在形式上完全相同。（2）變量之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系且成比例。（3）一個(gè)表達(dá)式的變量被另一個(gè)表達(dá)式中相應(yīng)變量置換后，表達(dá)式對(duì)應(yīng)各項(xiàng)的系數(shù)保持相等。實(shí)物仿真如曹沖稱(chēng)象、軍事演習(xí)、飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)、核爆炸試驗(yàn)等，屬于實(shí)物仿真的例子。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)仿真的概述實(shí)際系統(tǒng)的模型通常分為物理模型和361.3計(jì)算機(jī)仿真的概述3.系統(tǒng)仿真三要素仿真研究的對(duì)象是控制系統(tǒng)，而系統(tǒng)特性的表征主要采用與之相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將其放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的處理，就構(gòu)成完整的系統(tǒng)仿真過(guò)程。因此，將實(shí)際系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)稱(chēng)為系統(tǒng)仿真的三要素。其相互關(guān)系可表示為圖1-6所示。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)仿真的概述3.系統(tǒng)仿真三要素MATLAB37圖1-6系統(tǒng)仿真三要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系MATLAB控制模型及仿真技術(shù)圖1-6系統(tǒng)仿真三要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系MATLAB控制模型及仿38系統(tǒng)仿真有三個(gè)基本的活動(dòng)：（1）模型建立：將實(shí)際系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)模型，此過(guò)程也稱(chēng)為系統(tǒng)辨識(shí)。

（2）模型變換：通過(guò)一些仿真算法將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為仿真模型，以便將模型放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。（3）仿真實(shí)驗(yàn)：通過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理，把實(shí)際系統(tǒng)的特點(diǎn)、性能等表示出來(lái)，用于指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真有三個(gè)基本的活動(dòng)：MATLAB控制模型及仿真技術(shù)39

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)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)404.系統(tǒng)仿真的步驟將實(shí)際系統(tǒng)放到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，要經(jīng)歷以下8個(gè)步驟：（1）系統(tǒng)定義：按系統(tǒng)仿真的目的來(lái)確定所研究系統(tǒng)的邊界及約束條件。（2）建立數(shù)學(xué)模型：將實(shí)際系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)表達(dá)式或流程圖。（3）模型變換：將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的仿真模型。（4）設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)：給定系統(tǒng)外部輸入信號(hào)，設(shè)定相關(guān)參數(shù)和變量等。（5）模型加載：將轉(zhuǎn)換后的仿真模型以程序形式輸入到計(jì)算機(jī)中。（6）仿真實(shí)驗(yàn)：在計(jì)算機(jī)中對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行各種規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。（7）模型校驗(yàn)：按系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的性能要求對(duì)模型進(jìn)行修改和檢驗(yàn)。（8）提交仿真報(bào)告：對(duì)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，提供仿真的最終結(jié)果報(bào)告。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)4.系統(tǒng)仿真的步驟MATLAB控制模型及仿真技術(shù)41仿真研究的步驟明確問(wèn)題和提出總體方案。把被仿真系統(tǒng)的內(nèi)容表達(dá)清楚；弄清仿真的目的、系統(tǒng)的邊界；確定問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)和可控變量；找出系統(tǒng)的實(shí)體、屬性和活動(dòng)等。系統(tǒng)分析建立模型；

選擇合適的仿真方法（如時(shí)間步長(zhǎng)法、事件表法等）；確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)；設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真流程圖。收集數(shù)據(jù)；編寫(xiě)程序、程序驗(yàn)證；模型確認(rèn)。模型構(gòu)造MATLAB控制模型及仿真技術(shù)仿真研究的步驟明確問(wèn)題和提出總體方案。系統(tǒng)分析建立模型；模型42仿真研究的步驟運(yùn)行：確定具體的運(yùn)行方案,如初始條件、參數(shù)、步長(zhǎng)、重復(fù)次數(shù)等,然后輸入數(shù)據(jù),運(yùn)行程序。改進(jìn)：將得出的仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)比較,進(jìn)一步分析和改進(jìn)模型,直到符合實(shí)際系統(tǒng)的要求及精度為止。模型的運(yùn)行與改進(jìn)

設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)清晰的仿真結(jié)果輸出。包括提供文件的清單,記錄重要的中間結(jié)果等。輸出格式要有利于用戶(hù)了解整個(gè)仿真過(guò)程,分析和使用仿真結(jié)果.設(shè)計(jì)格式輸出仿真結(jié)果MATLAB控制模型及仿真技術(shù)仿真研究的步驟運(yùn)行：確定具體的運(yùn)行方案,如初始條件、參數(shù)、步43仿真研究步驟問(wèn)題的闡述設(shè)置目標(biāo)及完整的項(xiàng)目研究計(jì)劃建立模型收集數(shù)據(jù)編程序程序驗(yàn)證模型確認(rèn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)行與分析進(jìn)一步運(yùn)行仿真結(jié)束輸出結(jié)果是是是是否否否否系統(tǒng)分析模型構(gòu)造模型運(yùn)行輸出結(jié)果MATLAB控制模型及仿真技術(shù)仿真研究步驟問(wèn)題的闡述設(shè)置目標(biāo)及完整的項(xiàng)目研究計(jì)劃建立模型收44系統(tǒng)仿真的概述1.3.2系統(tǒng)仿真的分類(lèi)1.按仿真模型的種類(lèi)劃分

（1）物理仿真：按照實(shí)際系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行試驗(yàn)研究，稱(chēng)之為物理仿真。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)系統(tǒng)等），具有實(shí)時(shí)性、在線(xiàn)的特點(diǎn)。

（2）數(shù)學(xué)仿真：按照實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系構(gòu)造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，稱(chēng)之為數(shù)學(xué)仿真。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性、離線(xiàn)的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真的概述1.3.2系統(tǒng)仿真的分類(lèi)MATLAB控制模45（3）數(shù)學(xué)——物理仿真：將系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型以及部分實(shí)物有機(jī)地組合在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，稱(chēng)之為數(shù)學(xué)——物理仿真，也稱(chēng)為半實(shí)物仿真。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)（3）數(shù)學(xué)——物理仿真：將系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型以及部分實(shí)46系統(tǒng)仿真的分類(lèi)2.按仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)的時(shí)間關(guān)系劃分（1）實(shí)時(shí)仿真：仿真模型時(shí)鐘與實(shí)際系統(tǒng)時(shí)鐘的比例關(guān)系在時(shí)間上是同步的，可實(shí)時(shí)地反映出實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如炮彈彈頭的飛行曲線(xiàn)仿真、火力發(fā)電站的實(shí)時(shí)控制模擬仿真等。（2）超實(shí)時(shí)仿真：仿真模型時(shí)鐘小于實(shí)際系統(tǒng)時(shí)鐘，即仿真模型時(shí)鐘要超前于實(shí)際系統(tǒng)時(shí)鐘。如市場(chǎng)銷(xiāo)售預(yù)測(cè)、人口增長(zhǎng)預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)分析等。（3）慢時(shí)實(shí)仿真：仿真模型時(shí)鐘大于實(shí)際系統(tǒng)時(shí)鐘，即仿真模型時(shí)鐘滯后于實(shí)際系統(tǒng)時(shí)鐘。如原子核裂變過(guò)程的模擬仿真等。仿真時(shí)鐘:研究系統(tǒng)一般是為認(rèn)識(shí)其狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，所以需要一個(gè)仿真時(shí)間變量．對(duì)連續(xù)系統(tǒng)仿真時(shí)，常在均勻時(shí)間點(diǎn)上展現(xiàn)其狀態(tài)值，這樣，仿真時(shí)鐘的步進(jìn)是一個(gè)常數(shù)．對(duì)離散系統(tǒng)仿真時(shí)，只有在事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)才會(huì)發(fā)生變化，才有必要展現(xiàn)出系統(tǒng)的狀態(tài)，此時(shí)仿真時(shí)鐘的步進(jìn)根據(jù)事件發(fā)生的時(shí)刻變化.MATLAB控制模型及仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真的分類(lèi)2.按仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)的時(shí)間關(guān)系劃分MA47系統(tǒng)仿真的分類(lèi)3.按系統(tǒng)隨時(shí)間變化的狀態(tài)分類(lèi)（1）連續(xù)系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，可用一組數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述，比如采用微分方程、狀態(tài)方程等。（2）離散事件系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)的狀態(tài)變化只是在離散時(shí)刻發(fā)生，且由某種隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)，稱(chēng)之為離散事件系統(tǒng)。多采用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖表達(dá)。在分析上則采用概率及數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論、隨機(jī)過(guò)程理論來(lái)處理。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)系統(tǒng)仿真的分類(lèi)3.按系統(tǒng)隨時(shí)間變化的狀態(tài)分類(lèi)MATLAB481.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用

1.4.1計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)1.模擬計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算機(jī)是一種以模擬運(yùn)算放大器為基本部件、可以進(jìn)行積分、求和及反號(hào)等運(yùn)算的計(jì)算裝置，它適用于以微分方程描述的仿真系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）并行運(yùn)算，速度快；（2）輸出為連續(xù)量，易于與實(shí)物連接，更接近實(shí)際的控制系統(tǒng)。存在的缺點(diǎn)是：（1）計(jì)算精度比較低；（2）對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，線(xiàn)路上實(shí)現(xiàn)的難度較大，精度不易保證；（3）當(dāng)系統(tǒng)中的邏輯判斷環(huán)節(jié)較多時(shí)，仿真比較困難；（4）自動(dòng)化程度低，要通過(guò)人工去進(jìn)行排題布置。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用

1.4.1計(jì)算機(jī)491.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用2.數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件的迅速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真得到長(zhǎng)足的發(fā)展，已取代了模擬計(jì)算機(jī)仿真。其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在：（1）仿真計(jì)算精度高；（2）使用方便，修改參數(shù)容易；（3）采用程序控制，自動(dòng)化程度高。存在的缺點(diǎn)是：（1）由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的工作是“串行”計(jì)算，仿真速度較慢；（2）對(duì)于反應(yīng)較快的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真有一定困難。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用2.數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真501.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用3.數(shù)—?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真由于模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)仿真中各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以就產(chǎn)生了將這兩種方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行仿真的數(shù)—?；旌嫌?jì)算機(jī)仿真。

在這種方式中，通過(guò)包括A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、控制邏輯等混合界面，將模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，常用于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)、統(tǒng)計(jì)分析等反復(fù)迭代運(yùn)算的場(chǎng)合，以及要求與實(shí)物結(jié)合連續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、同時(shí)又有一些復(fù)雜的函數(shù)需要計(jì)算的場(chǎng)合

MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用3.數(shù)—模混合計(jì)算511.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用4.微型計(jì)算機(jī)陣列仿真

70年代以來(lái)，由于微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，仿真語(yǔ)言及仿真軟件包的不斷完善，采用了多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成全數(shù)字式仿真系統(tǒng)，這就是微型計(jì)算機(jī)陣列仿真。它可以進(jìn)一步提高仿真的功能和自動(dòng)化程度，也為集散控制系統(tǒng)仿真打下良好的基礎(chǔ)。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.4計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用4.微型計(jì)算機(jī)陣列52

目前，借助功能非常強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB及其SIMUKINK集成環(huán)境作為仿真工具來(lái)研究和分析控制系統(tǒng)已經(jīng)比較普遍。利用MATLAB提供的工具箱和軟件包，用戶(hù)可以完成諸如系統(tǒng)辨識(shí)、系統(tǒng)建模、仿真以及模糊控制等系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)，既方便又直觀形象。SIMULINK是MATLAB環(huán)境下的模擬工具，可以用來(lái)數(shù)學(xué)建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)。有關(guān)MATLAB和SIMUKINK的知識(shí)將在后續(xù)章節(jié)作專(zhuān)門(mén)的討論。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)目前，借助功能非常強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB及其S531.4.2計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用由于計(jì)算機(jī)仿真是在模型上進(jìn)行試驗(yàn)研究，具有經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、投資少、收效快、節(jié)省能源、試驗(yàn)周期短等顯著特點(diǎn)，目前已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。主要?dú)w納為以下兩個(gè)方面：

1.控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性、可行性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，分析系統(tǒng)故障原因。

2.訓(xùn)練與教育

訓(xùn)練系統(tǒng)操作員的專(zhuān)用仿真器。

3.非工程領(lǐng)域的仿真應(yīng)用MATLAB控制模型及仿真技術(shù)1.4.2計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用MATLAB控制模型及仿真技術(shù)54計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用仿真舉例

計(jì)算機(jī)仿真反映出新的科學(xué)技術(shù)的時(shí)代特征,它的應(yīng)用為各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)新氣象和成果。應(yīng)用的領(lǐng)域有：航空管理,公交車(chē)的調(diào)度,

飛機(jī)設(shè)計(jì),動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì),

三峽的安全、生態(tài),道路的修建,

醫(yī)療保險(xiǎn),國(guó)債的發(fā)行,

家居裝修,煉鋼的溫度估計(jì),

發(fā)電廠的操作訓(xùn)練,飛行員訓(xùn)練，鼠疫的檢測(cè)和預(yù)報(bào)。

MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用仿真舉例MATLAB控制模型及仿真技術(shù)55計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用

黑死病菌寄生于老鼠身上,是由跳蚤傳染給人類(lèi)，又叫鼠疫。病菌隨著跳蚤叮咬進(jìn)入人體，約2-5天的潛伏期之后，患者鼠蹊部及其他淋巴結(jié)開(kāi)始紅腫、疼痛，隨之開(kāi)始發(fā)高燒、疲倦、皮膚變黑，故被稱(chēng)為黑死病。死亡率高達(dá)60-90%……鼠疫的傳播MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用黑死病菌寄生于老鼠身上,是由跳蚤56計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用最原始的生化武器

1346年，蒙古大將去攻打黑海邊富庶的卡法城，久攻不下，這時(shí)蒙古軍中發(fā)生鼠疫，士兵死亡無(wú)數(shù)，眼看就要無(wú)法而退了，這時(shí)蒙古將軍想出一個(gè)方法，把死亡士兵的尸體用彈弩投入城中，迫使城中流行鼠疫，城門(mén)自然不攻而破。在城破時(shí)，一位意大利熱內(nèi)亞的富商，帶著妻小和金銀珠寶乘船逃了出來(lái)。他在地中海各國(guó)漂流很久，沒(méi)有國(guó)家敢收留他們，大家都害怕鼠疫的傳染。最后回到家鄉(xiāng)熱內(nèi)亞，他把所有的財(cái)富全部推在甲板上，對(duì)著守城的人說(shuō)：“我離開(kāi)卡法城已經(jīng)六個(gè)月了，我若感染鼠疫早就死了，但我并沒(méi)有死，可見(jiàn)我并沒(méi)有瘟疫。假如你讓我進(jìn)城，甲板上的珠寶就是你們的?！蔽覀儸F(xiàn)在知道鼠疫是由老鼠身上的跳蚤傳染的，通常老鼠躲在船底污穢處，人們不易察覺(jué)。熱內(nèi)亞人打開(kāi)城門(mén)讓這艘船進(jìn)來(lái)后，鼠疫就從熱內(nèi)亞傳播開(kāi)來(lái)，傳遍整個(gè)歐洲，包括北方的斯堪尼亞半島都無(wú)法幸免。每天黃昏時(shí)有人推著獨(dú)輪車(chē)，手里搖著鈴喊著：“bringoutthedead,bringoutthedead..…”（把尸體拿出來(lái)，把尸體拿出來(lái)……）家家戶(hù)戶(hù)就把尸體搬出來(lái)丟到城外焚燒，說(shuō)死尸如山是一點(diǎn)都不為過(guò)。鼠疫肆虐歐洲一百多年，使得三分之一的人口死亡。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用最原始的生化武器1357計(jì)算機(jī)仿真的基本概念歐洲鼠疫流行時(shí)死亡無(wú)數(shù)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念歐洲鼠疫流行時(shí)死亡無(wú)數(shù)MATLAB控制模58計(jì)算機(jī)仿真的基本概念鼠疫期間貴族紛紛棄城逃往MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念鼠疫期間貴族紛紛棄城逃往MATLAB控制59計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用

鼠疫如此讓人恐怖，那么有沒(méi)有什么好的預(yù)測(cè)方式呢？計(jì)算機(jī)仿真就是一個(gè)很好的預(yù)測(cè)方法。研究發(fā)現(xiàn)，鼠疫是由老鼠身上一種特殊的跳蚤傳播的。跳蚤的多少?zèng)Q定是否發(fā)生鼠疫跳蚤老鼠水草我們可以用計(jì)算機(jī)根據(jù)一個(gè)地區(qū)的氣候模擬出當(dāng)年此地水草的情況就可以預(yù)測(cè)出是否有鼠疫要發(fā)生。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用鼠疫如此讓人恐怖，那么有沒(méi)有什么好的60計(jì)算機(jī)仿真的基本概念

三峽水庫(kù)總庫(kù)容393億立方米，總裝機(jī)容量1820萬(wàn)千瓦，將是世界上最大的水電站。但是三峽的安全問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，我們不可能等到建好后再看它的安全性，用計(jì)算機(jī)仿真就可以很好的解決這一問(wèn)題。長(zhǎng)江三峽工程MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念三峽水庫(kù)總庫(kù)容393億立方米，61計(jì)算機(jī)仿真的基本概念飛機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗(yàn)。實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用巨大。使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，使費(fèi)用大大降低。飛機(jī)設(shè)計(jì)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念飛機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗(yàn)。飛機(jī)62計(jì)算機(jī)仿真舉例例1.1：追擊問(wèn)題我輯私艦雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距c里處有一艘走私船正以勻速度a沿直線(xiàn)行駛,輯私艦立即以最大的速度b追趕,若用雷達(dá)進(jìn)行跟蹤,保持船的瞬時(shí)速度方向始終指向走私船,試求輯私艦追逐路線(xiàn)和追上的時(shí)間,并且給出緝私艦和走私船的路線(xiàn)圖。

MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例例1.1：追擊問(wèn)題MATLAB控制模型及仿真63計(jì)算機(jī)仿真舉例選取坐標(biāo)系如圖:

假設(shè)緝私艇初始位置在點(diǎn)(c,0),走私船初始位置在點(diǎn)(0,0),走私船的行駛方向?yàn)閥方向.Oxy(c,0)D(x,y).R(0,at)

設(shè)緝私艇為動(dòng)點(diǎn)D,走私船為動(dòng)點(diǎn)R.在時(shí)刻t,緝私艇的位置是D(x,y),走私船的位置是R(0,at).取時(shí)間間隔(步長(zhǎng))為,則在時(shí)刻t+,D的位置是,追趕方向(D的運(yùn)動(dòng)方向)為DR.用方向余弦表示為:(*)MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例選取坐標(biāo)系如圖:假設(shè)緝私艇初始位置在點(diǎn)64計(jì)算機(jī)仿真舉例算法:賦初值:初始時(shí)刻t0,時(shí)間步長(zhǎng),速度a,b,初始位置c循環(huán):由公式(*)計(jì)算動(dòng)點(diǎn)D在各時(shí)刻的坐標(biāo)

D

計(jì)算動(dòng)點(diǎn)R在各時(shí)刻的坐標(biāo)R.

終止:

當(dāng)D,R的距離小于給定值時(shí)終止MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例算法:賦初值:初始時(shí)刻t0,時(shí)間步長(zhǎng)65計(jì)算機(jī)仿真舉例將上述算法中求出的點(diǎn)D用直線(xiàn)段連接起來(lái)，就得到追趕曲線(xiàn)。循環(huán)終止時(shí)的即為追趕時(shí)間?？梢钥闯觯介L(zhǎng)選取得越小，所求的曲線(xiàn)越精確。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例將上述算法中求出的點(diǎn)D用直線(xiàn)段連接起來(lái)，就得到66計(jì)算機(jī)仿真舉例例1.2理發(fā)店的服務(wù)過(guò)程仿真

一個(gè)理發(fā)店有兩位服務(wù)員A和B顧客隨機(jī)地到達(dá)該理發(fā)店,每分鐘有一個(gè)顧客到達(dá)和沒(méi)有顧客到達(dá)的概率均是1/2,其中60%的顧客理發(fā)僅用5分鐘,另外40%的顧客用8分鐘.試對(duì)前10分鐘的情況進(jìn)行仿真。解：假設(shè)開(kāi)始無(wú)顧客，顧客到達(dá)、服務(wù)開(kāi)始和結(jié)束都在每分鐘開(kāi)始時(shí)進(jìn)行，

產(chǎn)生顧客：拋硬幣，正面---有顧客到來(lái)；反面---無(wú)顧客到來(lái)

時(shí)間長(zhǎng)短：摸球，3白2黑，白球，5分鐘，黑球，8分鐘。

仿真過(guò)程:……….MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例例1.2理發(fā)店的服務(wù)過(guò)程仿真解：假設(shè)開(kāi)始無(wú)67活動(dòng)是指一段過(guò)程，即在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的情況．事件是指一個(gè)時(shí)間的情況，系統(tǒng)發(fā)生變化的瞬間就發(fā)生了事件．為了使仿真程序能如實(shí)地模擬實(shí)際系統(tǒng)的變化，在某些離散事件的仿真中，采用事件表的形式進(jìn)行調(diào)度．事件表一般是一個(gè)有序的記錄列，每個(gè)記錄包括事件發(fā)生時(shí)間、事件類(lèi)型等一些內(nèi)容．事件事件表MATLAB控制模型及仿真技術(shù)活動(dòng)是指一段過(guò)程，即在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的情況．事件是指一個(gè)時(shí)間68計(jì)算機(jī)仿真舉例

時(shí)間待排隊(duì)等人數(shù)服務(wù)員A服務(wù)員BT=0T=1T=2T=3T=4T=5T=6T=7T=8T=9T=10MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例時(shí)間待排隊(duì)等人數(shù)服務(wù)員A服務(wù)員B69計(jì)算機(jī)仿真舉例例1.3射擊命中率

在我方某前沿防守地域，敵人以一個(gè)炮排（含兩門(mén)火炮）為單位對(duì)我方進(jìn)行干擾和破壞．為躲避我方打擊，敵方對(duì)其陣地進(jìn)行了偽裝并經(jīng)常變換射擊地點(diǎn)．經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，我方指揮所對(duì)敵方目標(biāo)的指示有50％是準(zhǔn)確的，而我方火力單位，在指示正確時(shí)，有1/3的射擊效果能毀傷敵人一門(mén)火炮，有1/6的射擊效果能全部消滅敵人．現(xiàn)在希望能用某種方式把我方將要對(duì)敵人實(shí)施的20次打擊結(jié)果顯現(xiàn)出來(lái)，確定有效射擊的比率及毀傷敵方火炮的平均值。MATLAB控制模型及仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真舉例例1.3射擊命中率MATLAB控制模型及仿真70計(jì)算機(jī)仿真舉例分析：

這是一個(gè)概率問(wèn)題，可以通過(guò)理論計(jì)算得到相應(yīng)的概率和期望值.但這樣只能給出作戰(zhàn)行動(dòng)的最終靜態(tài)結(jié)果，而顯示不出作戰(zhàn)行動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程.

為了能顯示我方20次射擊的過(guò)程，現(xiàn)采用模擬的方式。問(wèn)題分析需要模擬出以