《控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述.ppt（56頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、2020/8/3,1,控制系統(tǒng)仿真,主講：霍愛清,薛定宇 著控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計 第二版，機械工業(yè)出版社 2011年,2020/8/3,2,第 1 章控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述,2020/8/3,3,本章主要內(nèi)容,控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術(shù)的發(fā)展綜述 控制系統(tǒng)計算機輔助設計語言環(huán)境綜述 仿真軟件的發(fā)展概況 MATLAB/Simulink與 CACSD工具箱 控制系統(tǒng)計算機輔助設計領(lǐng)域的新方法 本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,2020/8/3,4,1.1 控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術(shù)的發(fā)展綜述,早期的控制系統(tǒng)設計可以由紙筆等工具容易地計算出來，如 Ziegler 與 Nichols 于1942年提
2、出的 PID 經(jīng)驗公式就可以十分容易地設計出來。 隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計算器等簡單的運算工具難以達到預期的效果，加之在計算機領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計算機輔助設計 (computer-aided control system design , CACSD)方法。,2020/8/3,5,控制系統(tǒng)的計算機輔助設計技術(shù)的發(fā)展目前已達到了相當高的水平，并一直受到控制界的普遍重視 早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國際上最權(quán)威的IEEE控制系統(tǒng)學會的控制系統(tǒng)雜志(Control Systems Magazine)和IEEE學會的科研報
3、告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？?近三十年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CACSD 軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB 語言出現(xiàn)以來，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計算機語言，成為控制界學者的首選。,2020/8/3,6,MATLAB 作為主要程序設計語言來介紹控制系統(tǒng)計算機輔助設計的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費在沒有太大價值的底層重復性機械性勞動上，這樣可以對控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術(shù)有較好的整體了解，避免“只見樹木，不見森林”的認識偏差，提高控制器設
4、計的效率和可靠性。,2020/8/3,7,跟蹤國際最先 進的 CACSD軟件環(huán)境及發(fā)展，以當前國際上最流行的 CACSD軟件環(huán)境MATLAB為基本出發(fā)點來系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計算機輔助設計技術(shù)及軟件實現(xiàn)，從而大大提高 CACSD算法研究與實際應用的效率和可靠性，這是本課的一個主要目的。,2020/8/3,8,1.2 控制系統(tǒng)計算機輔助 設計語言環(huán)境綜述,20世紀70年代： 1973年美國學者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一本專著，書中給出了許多當時流行的控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設計的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應、時間響應、以及各種控制系統(tǒng)設計的子程序如：Luenberge
5、r 觀測器、Kalman 濾波等。,2020/8/3,9,瑞典 Lund 工學院教授 主持開發(fā)的一套交互式 CACSD 軟件 INTRAC 日本的古田勝久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持開發(fā)的DPACS-F 軟件等。 1980年美國學者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 語言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視 圖形交互式的模型輸入計算機仿真環(huán)境 Simulink 的出現(xiàn)為MATLAB應用的進一步推廣起到了積極性的推動作用。,2020/8/3,10,國際上控制系統(tǒng)計算機輔助設計軟件的發(fā)展大致分為幾個階段：軟件包階段、交互式語言階段及當前的面向?qū)ο蟮某绦?/p>
6、環(huán)境階段 這些軟件包大都是由 FORTRAN 語言編寫的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和 MATLAB 相比，調(diào)用方法和使用明顯顯得麻煩、不便。,現(xiàn)在，MATLAB 已經(jīng)風靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計領(lǐng)域最普及也是最受歡迎的首選計算機語言。,2020/8/3,11,,20世紀70年代末期和80年代初期出現(xiàn)了很多實 用的具有良好人機交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。 正因為存在多種多樣的 CACSD 軟件，而它們之間又各有所長，所以在 CACSD 技術(shù)的發(fā)展過程中曾有過幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。,此外，
7、以前 FORTRAN 語言繪圖并不是輕而易舉的事情，這就需要再調(diào)用相應的軟件包來做進一步處理。,2020/8/3,12,這些集成出來的軟件并不是很成功的，因為它們并沒有達到預期的效果。 事實上，從那以后每個軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB 語言有了自己的仿真功能，Simulink 從某種意義上來講其功能和接口更優(yōu)于ACSL , MATLAB 和 Mathematica 之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢可以得到充分地互補。,2020/8/3,13,我國較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計成果是中科院系統(tǒng)科學研究所韓京清研究員等主持的國家自然科學基金重大項目開發(fā)的CADCSC軟
8、件 清華大學孫增圻、袁曾任教授的著作和程序 北京化工大學吳重光、沈成林教授的著作和程序,2020/8/3,14,1.3 仿真軟件的發(fā)展概況,仿真技術(shù)引起該領(lǐng)域各國學者、專家們的重視，建立起國際的仿真委員會 (Simulation Councils Inc.， Sci )，該公司于1967年通過了仿真語言規(guī)范。 仿真語言CSMP (computer simulation modelling program) 應該屬于建立在該標準上的最早的專用仿真語言。 中科院沈陽自動化研究所在1988年推出了該語言的推廣版本 CSMP-C。,2020/8/3,15,系統(tǒng)仿真領(lǐng)域有很多自己的特性，如果能選擇一種能
9、反映當今系統(tǒng)仿真領(lǐng)域最高水平，也是最實用的軟件或語言介紹仿真技術(shù)，使得讀者能直接采用該語言解決自己的問題，將是很有意義的。 實踐證明，MATLAB 就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經(jīng)使得它成為自動控制、航空航天、汽車設計等諸多領(lǐng)域仿真的首選語言。 本課中將介紹基于 MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真與設計方法及其應用,2020/8/3,16,其他常用的仿真工具軟件,ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 1 美國MDI/MSC公司 2 50市場份額 3 運動學/動力學/機電一體化 4 網(wǎng)址： ,20
10、20/8/3,17,PSPICE（模擬電路CAD軟件） 1 電子電路仿真軟件 2 ORCAD公司的商業(yè)化EDA軟件 3 直流/交流電路、瞬態(tài)特性優(yōu)化設計、 數(shù)字模擬混合電路、電路繪圖仿真一體化 4 網(wǎng)址：,其他常用的仿真工具軟件,2020/8/3,18,SABER（電氣、模擬、混合信號仿真軟件） 1 圖形化界面 2 穩(wěn)態(tài)、時域、頻域、可靠性 3 應用于電源、電力電子、電氣、機電一體化設計 4 網(wǎng)址：www.jialing-,其他常用的仿真工具軟件,2020/8/3,19,ANSYS（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學運用有限元分析軟件） 1 求解“熱結(jié)構(gòu)耦合”、“磁結(jié)構(gòu)耦合”以及“電磁流體熱耦合”等問
11、題 2 多種物理介質(zhì)相互作用下的“動態(tài)性能” 3 梯度顯示、立體切片顯示、圖表/曲線顯示 4 網(wǎng)址：,其他常用的仿真工具軟件,2020/8/3,20,1.4 MATLAB/Simulink與 CACSD 工具箱,早期的 MATLAB 的功能十分簡單，當它作為免費軟件出現(xiàn)以來，還是吸引了大批的使用者。 Cleve Moler 和 John Little 等人于1984年成立了一個名為 The MathWorks 的 公司 The MathWorks 公司于1992 年推出了具有劃時代意義的 MATLAB 4.0版本。,2020/8/3,21,MATLAB 目前已經(jīng)成為控制界國際上最流行的軟件，它
12、除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的 Windows 編程等便利工具。 此外，控制界很多學者將自己擅長的 CAD 方法用MATLAB 加以實現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的 MATLAB 配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設計工具箱、分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、以及仿真環(huán)境 Simulink。,2020/8/3,22,早期的 CACSD 研究側(cè)重于對控制系統(tǒng)的計算機輔助分析上，開始時人們利用計算機的強大功能把系統(tǒng)的頻率響應曲線繪制出來，并根據(jù)頻率響應的曲線及自己的控制系
13、統(tǒng)設計經(jīng)驗用試湊的方法設計一個控制器，然后利用仿真的方法去觀察設計的效果。,1.5 控制系統(tǒng)計算機輔助設計領(lǐng)域的新方法,2020/8/3,23,除了經(jīng)典的多變量頻域方法之外，還出現(xiàn)了一些基于最優(yōu)化技術(shù)的控制方法，其中比較著名的是英國學者 John Edmunds 提出的多變量參數(shù)最優(yōu)化控制方法和英國學者 Zakian 提出的不等式控制方法等。 與此同時，美國學者似乎更習慣于狀態(tài)空間的表示與設計方法。此方法往往又稱為時域方法 (time-domain)，首先在線性二次型指標下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預下(如人工選擇加權(quán)矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)
14、觀測器新的控制概念。,2020/8/3,24,從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現(xiàn)了各種各樣的控制方法，如各種 最優(yōu)控制的方案. 隨著控制器的階次越來越高，還出現(xiàn)了很多的控制器降階方法來實現(xiàn)設計出的控制器。 線性矩陣不等式 (linear matrix inequalities) 及分析與綜合等控制系統(tǒng)設計方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過計算機這樣的現(xiàn)代化工具是不能完成的。,2020/8/3,25,分數(shù)階控制領(lǐng)域也出現(xiàn)了很多新的研究成果，是控制理論的一個較新的研究領(lǐng)域。 教授和合作者對傳統(tǒng)的，也是工業(yè)中應用最廣泛的 PID 控制器進行了改進，提出了自整定 PID 控制器更加切合
15、于過程控制的實際應用。,2020/8/3,26,國際上出版了關(guān)于 MATLAB及 CACSD的專著和教材，但它們大都是MATLAB的入門教材，并沒有真正深入、系統(tǒng)地探討CACSD 技術(shù)及 MATLAB實現(xiàn)，將MATLAB的強大功能與控制領(lǐng)域成果有機結(jié)合是本書力圖解決的主要問題。,2020/8/3,27,第1章 CACSD 概述 第2章 MATLAB 編程語言,1.6 本書的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,2020/8/3,28,第3章 MATLAB 環(huán)境中控制系統(tǒng)模型與轉(zhuǎn)換 第4章 線性控制系統(tǒng)的計算機輔助分析 第5章 Simulink應用 第6章 經(jīng)典的控制系統(tǒng)的計算機輔助設計,2020/8/3,29,第7
16、章 PID控制器與最優(yōu)控制器設計 第8章 控制工程中的仿真技術(shù)應用,2020/8/3,30,1.7學習本課程的目的和方法,學習本課程的目的 1、了解仿真技術(shù)概況 2 、夯實所涉及的基本概念、理論與方法 3 、掌握仿真技術(shù)這一利器，并要認識到“與時俱進” 4 、培養(yǎng)自主學習/研究的能力,2020/8/3,31,1、注重基礎（概念/原理） 孟子曰：“始條理者，智之事也； 終條理者，圣之事也。”,學習本課程的方法,1.7學習本課程的目的和方法,2020/8/3,32,2、積極應用（CAD工具） 孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”,學習本課程的方法,1.7學習本課程的目的和方法,2020/8/3,33
17、,3、努力實踐（實踐出真知/創(chuàng)新源于自主實踐） what I hear I forget what I see I remember what I do I understand,學習本課程的方法,1.7學習本課程的目的和方法,2020/8/3,34,學習本課程的要求,1 積極思考/上機實踐 2 完成“課程報告” 關(guān)于選題：必選和自選 關(guān)于報告的撰寫：格式要求/科技論文 3 關(guān)于“自主學習能力” 大學本科生的基本能力,1.7學習本課程的目的和方法,2020/8/3,35,本課程的互聯(lián)網(wǎng)資源,The MathWorks公司官方網(wǎng)站 產(chǎn)品與全套工具箱手冊下載 第三方工具箱下載
18、 產(chǎn)品在中國獨家代理 (北京九州恒潤公司) ,2020/8/3,36,MATLAB 大觀園 本書及相關(guān)內(nèi)容資源 http://www.matlab- MATLAB 與應用論壇 (薛定宇維護) 博士家園論壇網(wǎng)站 (各類數(shù)學問題) 一些高校的 bbs 清華大學、哈工大、上海交大、西安交大等,2020/8/3,37,1.8 仿真技術(shù)應用,仿真技術(shù)的應用,控制系統(tǒng)CAD 機械系統(tǒng)CAD,2020/8/3,38,控制系統(tǒng)CAD,固有特性分析,,,,1.8 仿真技術(shù)應用,2020/8/3,39,控制系統(tǒng)CAD,閉環(huán)控制性能分析,1.8 仿真技術(shù)應用,2020/8/3,40,控制系統(tǒng)CAD,閉環(huán)控制性能分
19、析,1.8 仿真技術(shù)應用,2020/8/3,41,控制系統(tǒng)CAD,球棒系統(tǒng),1.8 仿真技術(shù)應用,2020/8/3,42,仿真技術(shù)的應用,虛擬現(xiàn)實（VR） 虛擬樣機：,,2020/8/3,43,仿真技術(shù)的應用,虛擬現(xiàn)實（VR）,感知設備：,,2020/8/3,44,仿真技術(shù)的應用,虛擬現(xiàn)實（VR）,表現(xiàn)裝置：,,2020/8/3,45,仿真技術(shù)的應用,虛擬現(xiàn)實（VR）,三大特征：,,2020/8/3,46,仿真技術(shù)的應用,虛擬樣機：,虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù) 虛擬制造 虛擬環(huán)境,2020/8/3,47,仿真技術(shù)的應用,虛擬樣機：,虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù),2020/8/3,48,仿真技術(shù)的應用,虛擬樣機：,虛擬制造,2020/8/3,49,仿真技術(shù)的應用,虛擬樣機：,虛擬環(huán)境,2020/8/3,50,仿真技術(shù)的應用,虛擬環(huán)境,2020/8/3,51,仿真技術(shù)的應用,虛擬樣機,2020/8/3,52,仿真技術(shù)的應用,工程應用：,1 車輛肇事仿真 2飛行器設計 3 聯(lián)合仿真 4 軍事工程,,,2020/8/3,53,仿真技術(shù)的應用,工程應用：,,1車輛肇事仿真,2020/8/3,54,仿真技術(shù)的應用,工程應用：,2飛行器設計,,2020/8/3,55,仿真技術(shù)的應用,工程應用：,3聯(lián)合仿真,,2020/8/3,56,仿真技術(shù)的應用,工程應用：,4軍事工程,,
控制系統(tǒng)計算機輔助設計概述.ppt
