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1、控制系統(tǒng)數(shù)字仿真,授課老師：杜 秀 華 聯(lián)系郵箱： 二一五年九月,學(xué)習(xí)本課程的目的,了解系統(tǒng)仿真的基本概念、掌握常用的數(shù)字仿真方法 學(xué)會使用常用的仿真軟件,本課程的主要內(nèi)容,第一章 概論 第二章 MATLAB程序設(shè)計基礎(chǔ) 第三章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真 第四章 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真 第五章 仿真與優(yōu)化 第六章 系統(tǒng)建模與仿真工具Simulink,主要參考資料,黃向華，控制系統(tǒng)仿真北京航空航天大學(xué)出版社，2008年 黃道平，MATLAB與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及CAD，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年 魏克新， MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計機械工業(yè)出版社，1997年 熊光楞， 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真
2、清華大學(xué)出版社，1982年 黃柯棣， 系統(tǒng)仿真技術(shù)國防科技大學(xué)出版社，1998年 薛定宇， 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計清華大學(xué)出版社，1996年 Naim A. Kheir , System modeling and Computer Simulation Marcel Dekker,Inc. ,1996 雜志：系統(tǒng)仿真學(xué)報、Simulation,第一章 概論,本章主要要求： 掌握系統(tǒng)、模型、仿真的概念 對系統(tǒng)仿真特別是數(shù)字仿真有一概括認(rèn)識 數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展概況 數(shù)字仿真軟件的功能和構(gòu)成 數(shù)字仿真技術(shù)的應(yīng)用,系統(tǒng)仿真：建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型，物理模型或數(shù)學(xué)物理模型），并在模型上進(jìn)行實驗。 系統(tǒng)
3、仿真最基本的依據(jù)是相似原理 幾何比例相似 特性相似 感覺相似 邏輯思維方式相似 微分方程的數(shù)值解法、離散相似法數(shù)字仿真的基礎(chǔ),幾何相似,感覺相似,特性相似,系統(tǒng)仿真的內(nèi)涵：仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)專門技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際或假想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)試驗研究的一門多學(xué)科綜合的技術(shù)性學(xué)科。主要研究建立仿真系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)應(yīng)用的理論、方法和技術(shù)。,系統(tǒng)仿真學(xué)科的定義,系統(tǒng) 被研究的對象 模型 對系統(tǒng)的描述、抽象 仿真 研究系統(tǒng)的工具和手段,1.1 系統(tǒng)的定義和分類,一、系統(tǒng)的定義 系統(tǒng)是具有特定功能的相互間以一定規(guī)律聯(lián)系著的物體所組成的總體
4、。,例：飛機自動駕駛系統(tǒng)工程系統(tǒng),例：工廠系統(tǒng)非工程系統(tǒng),系統(tǒng)研究的三個要素： 實體 組成系統(tǒng)的具體對象 屬性 實體的特性（狀態(tài)和參數(shù)） 活動 對象隨時間推移發(fā)生的狀態(tài)變化,二、系統(tǒng)的特性 1、整體性 2、相關(guān)性,三、系統(tǒng)的環(huán)境 在系統(tǒng)研究目的確定后，才能確定系統(tǒng)的環(huán)境 一個系統(tǒng)，只有在研究目的確定且其實體、屬性、活動環(huán)境作了明確的描述后，才是確定的，才能考慮系統(tǒng)模型的建立。 四、系統(tǒng)分類 分類方法：按屬性、對系統(tǒng)內(nèi)部認(rèn)識程度 按狀態(tài)變化是否連續(xù) 便于數(shù)學(xué)分析的分類方法 可分為：連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng) 本課程重點介紹連續(xù)系統(tǒng)的仿真（系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)，其動態(tài)特性用微分方程或差分
5、方程表示）,1.2 系統(tǒng)模型和仿真的基本概念,仿真：利用系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的過程。 或者 仿真是一種試驗過程，就是在某種設(shè)備上試驗系統(tǒng)，包括建立、修改系統(tǒng)模型、再現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)。 一、系統(tǒng)模型 系統(tǒng)模型：為了進(jìn)行系統(tǒng)研究，用來收集系統(tǒng)有關(guān)信息的物體或數(shù)學(xué)描述。,二、模型分類,物理模型：根據(jù)相似原理，把真實系統(tǒng)按比例放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量與原來系統(tǒng)相同。 數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)方程（或信流圖、結(jié)構(gòu)圖）來描述系統(tǒng)性能的模型。 分析法：用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)、演繹求解模型的方法 數(shù)值法：應(yīng)用計算程序求解數(shù)學(xué)模型的方法 系統(tǒng)仿真模型:采用數(shù)值計算技術(shù)求解的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以直接計算的模型,三、系統(tǒng)
6、仿真 1、仿真技術(shù) 利用數(shù)值計算方法求解系統(tǒng)動態(tài)模型的方法，仿真過程中，任何一步計算所得到的值，都是指定時間內(nèi)，已被模型化了的系統(tǒng)的狀態(tài)。 2、仿真方法與分析方法的比較 仿真方法只給出特解，而不是通解 例：汽車輪子工作情況的動力學(xué)模型 式中 K：彈簧彈性系數(shù)，M：輪子質(zhì)量，D：減震器的阻尼系數(shù),仿真的實驗性質(zhì),3、系統(tǒng)仿真的類型,按模型分類 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(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），具有實時性、在線的特點。 數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型 在計算機上進(jìn)行，具有非實
7、時性、離線的特點，經(jīng)濟(jì)、快速、實用。 物理數(shù)學(xué)仿真（半實物仿真）,彈體姿態(tài)控制系統(tǒng)半實物仿真框圖,模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機上進(jìn)行的實驗研究。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，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。 數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算方法所進(jìn)行的仿真實驗。60年代,按計算機類型分類,,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
8、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(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。,混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。 現(xiàn)代計算機仿真：采用先進(jìn)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(xué)。80年代以來,數(shù)字計算機仿真的步驟（五步）,問題描述、建立數(shù)學(xué)模型 準(zhǔn)備仿真
9、模型 畫出實現(xiàn)仿真模型的流程圖、并編制計算機程序 驗證或認(rèn)可模型 運行仿真模型,數(shù)字仿真的流程圖,計算機仿真和輔助設(shè)計的概念區(qū)別,計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)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(jìn)程、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的技術(shù)。,說明：計算機輔助設(shè)計的主要工作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。,1.3 數(shù)字仿真軟件的功能和主要類型,仿真算法 微分方程的數(shù)值積分法 離散相似法,數(shù)字仿真軟件 三個基本功能：置初值、模型運行、結(jié)果處理和輸出 數(shù)字仿真語言 基本構(gòu)成：翻譯模塊、實用程序庫
10、、輸出模塊 專用仿真軟件 電廠仿真軟件、軋鋼仿真軟件,計算機仿真軟件,一、仿真軟件的發(fā)展 1、編制程序階段 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（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。,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、SYSTEM VIEW：系統(tǒng)級的電路動態(tài)仿真軟
11、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，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計算機語言，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。,1.4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）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行實驗。 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)模型實驗：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)。,3、原子能工業(yè) 模擬核反應(yīng)堆
12、 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,仿真工業(yè)應(yīng)用,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。,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
13、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，直接實驗幾乎不可能，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。,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(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(xué)科，使人置身于真實環(huán)境之中。,本章小結(jié),仿真是對系統(tǒng)進(jìn)行研究的一種實驗方法，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。 仿真是在模型上進(jìn)行的，建立系統(tǒng)的模型是仿真的關(guān)鍵內(nèi)容。 系統(tǒng)模型可以分為物理模型、數(shù)學(xué)模型及仿真模型，據(jù)此可將仿真分為物理仿真和數(shù)學(xué)仿真兩大類。 系統(tǒng)、模型、計算機是數(shù)字仿真的三個基本要素，建模、仿真實驗及結(jié)果分析是三項基本內(nèi)容。 MATLAB與SIMULINK是當(dāng)今廣泛為人們采用的控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD應(yīng)用軟件。,
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