仿真技术11-13

1、仿真技术仿真技术 授课教师：金辉授课教师：金辉 自动化教研室自动化教研室 仿真技术仿真技术是一门建立在相似理论基础上、是一门建立在相似理论基础上、 基于模型实验的实践性很强的综合性课程，是研基于模型实验的实践性很强的综合性课程，是研 究、设计、分析各种复杂系统的重要工具。究、设计、分析各种复杂系统的重要工具。 通过本课程的学习，使学生初步掌握当前流通过本课程的学习，使学生初步掌握当前流 行的演算式行的演算式MATLABMATLAB语言的基本知识，结合所学课语言的基本知识，结合所学课 程程自动控制原理自动控制原理，学会运用，学会运用MATLABMATLAB语言进行语言进行 控制系统仿真和辅助设计

2、的基本技能，为今后从控制系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从 事科学研究打下较好的基础。事科学研究打下较好的基础。 课程任务课程任务 学时安排与考试形式学时安排与考试形式 总学时：总学时：32(32(其中上机实验其中上机实验8 8学时学时) ) 考试方式：闭卷考试方式：闭卷 第一章第一章 控制系统仿真介绍控制系统仿真介绍 第二章第二章 连续系统数值积分法数字仿真连续系统数值积分法数字仿真 第三章第三章 连续系统离散相似法数字仿真连续系统离散相似法数字仿真 第四章第四章 快速数字仿真快速数字仿真 教学内容教学内容 第第1 1章章 控制系统仿真介绍控制系统仿真介绍 1.1 1.1 控制系统仿真技

3、术概述控制系统仿真技术概述 1.1.1 控制控制 生产和科学实践中，要求设备、装置或生产过程按照生产和科学实践中，要求设备、装置或生产过程按照 人们所期望的规律运行或工作。人们所期望的规律运行或工作。 例如例如 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收 导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标 无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 数控机床按照预定的程序自动地切削工件数控机床按照预定的程序自动地切削工件 干扰的存在使实际工作状态偏离所期望的运行状态干扰的存在使实际工作状态偏离

4、所期望的运行状态。 控制控制：为了满足预期需求所进行的操作或：为了满足预期需求所进行的操作或 调整过程。调整过程。 控制的任务可由人工控制或控制的任务可由人工控制或自动控制自动控制来完来完 成。成。 1.1.2 自动控制自动控制 自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，自动控制，是指在没有人直接参与的情况下， 利用自动控制装置（或称为控制装置或控制利用自动控制装置（或称为控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称为被控器），使机器、设备或生产过程（统称为被控 对象）的某个工作状态或参数（称为被控量）对象）的某个工作状态或参数（称为被控量） 自动地按照预定的规律运行。自动地按照预定的规律

5、运行。 自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。 接下来以接下来以“水池水位系统水池水位系统”的人工控制与自动的人工控制与自动 控制为例说明自动控制的基本原理。控制为例说明自动控制的基本原理。 例：水池水位系统的控制例：水池水位系统的控制 控制的目的：水池的水源源不断地经过水管控制的目的：水池的水源源不断地经过水管 流出，以供用户使用。为了使水位上升或下流出，以供用户使用。为了使水位上升或下 降都有足够的余地，避免过满或抽空，应使降都有足够的余地，避免过满或抽空，应使 水位与要求值相等。水位与要求值相等。 控制的手段：改变进水阀门的开度。控制的手段：改变

6、进水阀门的开度。 1 1 人工控制过程人工控制过程 测量过程测量过程：用眼睛作为测量工具，测量水位实际高度。：用眼睛作为测量工具，测量水位实际高度。 决策过程决策过程：通过大脑，将观测到的实际液位与期望液：通过大脑，将观测到的实际液位与期望液 位高度进行比较，得出偏差。根据偏差情况位高度进行比较，得出偏差。根据偏差情况( (正、负、正、负、 大、小大、小) )进行分析运算，发出控制指令。进行分析运算，发出控制指令。 执行过程执行过程：手执行大脑的命令，改变手操进水阀的开：手执行大脑的命令，改变手操进水阀的开 度，调节进水量，使水位偏差减小。度，调节进水量，使水位偏差减小。 反复进行上述过程，使

7、水位实际值与要求值相等反复进行上述过程，使水位实际值与要求值相等( (接接 近或逼近近或逼近) )。 在本例中，由于有人直接参与控制，故称为在本例中，由于有人直接参与控制，故称为人工控制人工控制。 水池液位水池液位被控变量被控变量 水池水池被控对象被控对象 2 2 自动控制过程自动控制过程 若用自动控制装置代替人完成人工操作若用自动控制装置代替人完成人工操作 过程，则可构成自动控制系统。过程，则可构成自动控制系统。 自动控制装置自动控制装置 测量元件测量元件：测量被控量的实际值，并进行物理量：测量被控量的实际值，并进行物理量 的变换的变换( (变送器变送器人眼人眼) )。 比较元件比较元件：测

8、量值与给定值比较，获得偏差。：测量值与给定值比较，获得偏差。 调节元件调节元件：根据偏差产生控制信号。：根据偏差产生控制信号。 ( (控制器：包括比较元件和调节元件控制器：包括比较元件和调节元件人脑人脑) ) 执行器执行器：由控制信号改变操纵变量，作用于被控：由控制信号改变操纵变量，作用于被控 对象，使水位偏差减小对象，使水位偏差减小( (调节阀调节阀手手+ +手操阀手操阀) )。 以上元件共同作用，反复检测和控制，使水位实以上元件共同作用，反复检测和控制，使水位实 际值与要求值相等。际值与要求值相等。 1.1.3 1.1.3 自动控制系统自动控制系统 被控对象和自动控制装置按照一定方式被控对

9、象和自动控制装置按照一定方式 连接起来，完成一定控制任务的总体，称连接起来，完成一定控制任务的总体，称 为自动控制系统。为自动控制系统。 自动控制系统一般包括如下几个部分自动控制系统一般包括如下几个部分 1.1.被控对象被控对象 2.2.测量单元测量单元 3.3.控制器控制器 4.4.执行器执行器 自动控制装置自动控制装置 1.1.4 1.1.4 自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图 方框图方框图可以直观的表达控制系统的组成及信号间可以直观的表达控制系统的组成及信号间 的传递关系。如的传递关系。如： 方框图由方框、信号方框图由方框、信号( (带箭头的直线带箭头的直线) )和信号叠加点、和信

10、号叠加点、 分支点组成。分支点组成。 方框图中，每一个方框代表了自动控制系统的一方框图中，每一个方框代表了自动控制系统的一 个环节。箭头指向方框表示为该环节的输入。个环节。箭头指向方框表示为该环节的输入。 常用术语：常用术语： 系统输出系统输出：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又 称称被控量被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。，它与输入量之间保持一定的函数关系。 给定值给定值( (参考输入参考输入) )：系统的给定输入，由控制者决定的被控变：系统的给定输入，由控制者决定的被控变 量的期望值。量的期望值。 干扰干扰：系统不需要而又难于避

11、免的输入，它使被控量偏离给定：系统不需要而又难于避免的输入，它使被控量偏离给定 值。干扰即可以来自系统内部又可来自系统外部。值。干扰即可以来自系统内部又可来自系统外部。 系统输入系统输入：影响系统输出的因素，包括给定输入和干扰输入。：影响系统输出的因素，包括给定输入和干扰输入。 偏差偏差：给定值：给定值- -测量值测量值。 操纵变量操纵变量：受控于执行器：受控于执行器( (调节阀调节阀) )，用于调节被控变量大小的，用于调节被控变量大小的 物理量，称为操纵变量，它是执行器的输出。物理量，称为操纵变量，它是执行器的输出。 方框图的简化：方框图的简化： 除控制器外，将执行器、被控对象、测量单元除控

12、制器外，将执行器、被控对象、测量单元 合并成一个环节，称为广义对象。合并成一个环节，称为广义对象。 整个控制系统用一个大方框图表示：整个控制系统用一个大方框图表示： 1.1.5 1.1.5 反馈控制原理和特点反馈控制原理和特点 原理：被控变量原理：被控变量( (输出输出) )作为反馈信号，与期望作为反馈信号，与期望 值比较得到偏差输入；根据输入偏差大小，调值比较得到偏差输入；根据输入偏差大小，调 整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除 偏差，实现控制目标。偏差，实现控制目标。 反馈反馈：输出量经过测量后的信号送到输入端。：输出量经过测量后的信号送到输入

13、端。 反馈连接方式有负反馈和正反馈。反馈连接方式有负反馈和正反馈。 负反馈负反馈：反馈信号的极性与输入信号相反，使：反馈信号的极性与输入信号相反，使 被控对象的输出趋向期望值。被控对象的输出趋向期望值。 负反馈构成负反馈构成闭环闭环是自动控制系统的结构特点。是自动控制系统的结构特点。 开环控制系统开环控制系统：输出量：输出量( (即被控量即被控量) )不返回不返回 到系统的输入端到系统的输入端( (不反馈不反馈) )。 闭环控制系统的特点：闭环控制系统的特点： 1.1.由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行 控制。控制。 2.2.抗干扰，控制精度高。抗干扰，控制精

14、度高。 3.3.存在稳定性问题。系统元件参数配合不存在稳定性问题。系统元件参数配合不 当，容易产生振荡，使系统不能正常工作。当，容易产生振荡，使系统不能正常工作。 4.4.自动控制理论主要研究闭环系统自动控制理论主要研究闭环系统。 1.1.6 1.1.6 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 1.1.按信号流向可分为：开环系统和闭环系统。按信号流向可分为：开环系统和闭环系统。 2.2.按系统的输入信号可分为：恒值控制系统按系统的输入信号可分为：恒值控制系统( (自动调节自动调节 系统系统) )、随动控制系统、随动控制系统( (伺服系统伺服系统) )和程序控制系统。和程序控制系统。 3.3.按元

15、器件特性可分为：线性系统和非线性系统按元器件特性可分为：线性系统和非线性系统( (数学数学 模型的线性与非线性模型的线性与非线性) )。 4.4.按微分方程系数的时变性可分为：定常系统和时变按微分方程系数的时变性可分为：定常系统和时变 系统。系统。 5.5.按信号的连续性可分为：连续系统和离散系统。按信号的连续性可分为：连续系统和离散系统。 6.6.按输入输出量可分为：单输入单输出按输入输出量可分为：单输入单输出(SISO)(SISO)和多输和多输 入多输出入多输出(MIMO)(MIMO)。 7.7.按信号性质可分为：确定性控制系统和随机控制系按信号性质可分为：确定性控制系统和随机控制系 统。

16、统。 1.2.1 1.2.1 仿真的定义仿真的定义 通常为了研究、分析与设计系统，需要对某些通常为了研究、分析与设计系统，需要对某些 系统进行试验。试验的方案有两种，一种是直接系统进行试验。试验的方案有两种，一种是直接 在真实系统上进行，另一种则是按真实系统的在真实系统上进行，另一种则是按真实系统的 “样子样子”构造一个模型，在模型上进行。后者采构造一个模型，在模型上进行。后者采 用的就是仿真的方法。用的就是仿真的方法。 1.2 控制系统仿真技术概述控制系统仿真技术概述 所谓仿真，就是用模型所谓仿真，就是用模型(物理模型或数学模型物理模型或数学模型)代替代替 实际系统进行实验和研究。实际系统进

17、行实验和研究。 通常由于以下原因而不采用在真实系统上做试验通常由于以下原因而不采用在真实系统上做试验 的方案。的方案。 系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，因此系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，因此 不可能在真实系统上进行试验。不可能在真实系统上进行试验。 (2) (2) 在真实系统上做试验会破坏系统的运行，例如在真实系统上做试验会破坏系统的运行，例如 在一个化工系统中随意改变一下系统参数，可能导致在一个化工系统中随意改变一下系统参数，可能导致 整个一炉成品报废；又如在经济活动中，随意把一个整个一炉成品报废；又如在经济活动中，随意把一个 决策付之行动，可能会引起经济混乱。决策付之行动

18、，可能会引起经济混乱。 (3) (3) 如果人是系统的一部分时，由于知道自己是试如果人是系统的一部分时，由于知道自己是试 验的一部分，其行动往往会和平时不一样，因此会影验的一部分，其行动往往会和平时不一样，因此会影 响试验的效果。响试验的效果。 (4) (4) 在实际系统上做多次试验时，很难保证每一在实际系统上做多次试验时，很难保证每一 次的操作条件都相同，因而无法对试验结果的优次的操作条件都相同，因而无法对试验结果的优 劣作出正确的判断与评价。劣作出正确的判断与评价。 (5) (5) 试验时间太长或费用太大或者有危险。试验时间太长或费用太大或者有危险。 (6) (6) 无法复原，例如：改建一

19、个加热炉，想要检无法复原，例如：改建一个加热炉，想要检 查一下改建的加热炉的效率与质量，不能先改建查一下改建的加热炉的效率与质量，不能先改建 起来试试看，因为一改建就不可能再回到原来的起来试试看，因为一改建就不可能再回到原来的 状态上去了。状态上去了。 仿真所遵循的基本原则仿真所遵循的基本原则 相似原理，即相似原理，即 * 几何相似几何相似 * 环境相似环境相似 * 性能形似性能形似 仿真的基本思想仿真的基本思想 是利用物理的或数学的模型来类比模仿是利用物理的或数学的模型来类比模仿 现实过程，以寻求对真实过程的认识。现实过程，以寻求对真实过程的认识。 1.2.2 仿真的分类仿真的分类 依据相似

20、原理仿真可分为：依据相似原理仿真可分为： * * 物理仿真物理仿真 * * 数学仿真数学仿真 * * 数学数学- -物理仿真物理仿真( (混合仿真混合仿真) ) 物理仿真与数学仿真的比较物理仿真与数学仿真的比较 1.2.3 1.2.3 系统、模型与数字仿真系统、模型与数字仿真 所谓系统就是由一些具有特定功能的、相互间以一定所谓系统就是由一些具有特定功能的、相互间以一定 规律联系着的物体（又称子系统）所构成的有机整体。规律联系着的物体（又称子系统）所构成的有机整体。 一、系统的组成与分类一、系统的组成与分类 1 1、组成系统的三要素、组成系统的三要素 实体实体：存在于系统中具有确定意义的物体：存

21、在于系统中具有确定意义的物体 如：执行器、控制阀等如：执行器、控制阀等 属性属性：实体所具有的任何有效特征：实体所具有的任何有效特征 如：温度、开度、速度等如：温度、开度、速度等 活动活动：系统内部发生的变化过程：系统内部发生的变化过程 1.2.3 1.2.3 系统、模型与数字仿真系统、模型与数字仿真 1 1、模型、模型 模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是 人们用以认识事物的一种手段。人们用以认识事物的一种手段。 二、模型的建立及其重要性二、模型的建立及其重要性 模模 型型 物理模型物理模型 数学模型数学模型 根据相似原理，把真实系根据

22、相似原理，把真实系 统按比例放大或缩小制成统按比例放大或缩小制成 的模型，其状态变量与原的模型，其状态变量与原 系统完全相同。如：飞行系统完全相同。如：飞行 器研制中的飞行模型；船器研制中的飞行模型；船 舶制造中的船舶模型等舶制造中的船舶模型等( ( 几何相似几何相似) )。 用数学方程（或信号用数学方程（或信号 流图、结构图）来描流图、结构图）来描 述系统性能的模型述系统性能的模型( (性性 能相似能相似) )。 1.2.3 1.2.3 系统、模型与数字仿真系统、模型与数字仿真 2 2、模型的建立模型的建立 建立系统模型就是（以一定的理论为依据）把系统的建立系统模型就是（以一定的理论为依据）

23、把系统的 行为概括为数学的函数关系行为概括为数学的函数关系 步骤：步骤： 1 1）确定模型结构，建立系统的约束条件，确定系统）确定模型结构，建立系统的约束条件，确定系统 的三要素的三要素实体、属性、活动实体、属性、活动 2 2）测取有关的模型数据）测取有关的模型数据 3 3）运用恰当理论建立系统的数学描述，即数学模型）运用恰当理论建立系统的数学描述，即数学模型 4 4）检验所建立的数学模型的准确性）检验所建立的数学模型的准确性 二、模型的建立及其重要性二、模型的建立及其重要性 建模是仿真的基础建模是仿真的基础 性工作，对仿真至性工作，对仿真至 关重要。关重要。 1.2.3 1.2.3 系统、模

24、型与数字仿真系统、模型与数字仿真 三、仿真的基本内容三、仿真的基本内容 数字仿真三要素数字仿真三要素系统：研究的对象；模型：系统系统：研究的对象；模型：系统 的抽象；计算机：工具与手段的抽象；计算机：工具与手段 实实 际际 系系 统统 数数 学学 模模 型型 计计 算算 机机 建立数建立数 学模型学模型 建立仿真模型建立仿真模型 仿真实验仿真实验 仿真结果仿真结果 结果分析结果分析 应用应用 一次一次 模型化模型化 二次二次 模型化模型化 第一步：根据仿真目的确定仿真方案第一步：根据仿真目的确定仿真方案 根据仿真目的确定相应的仿真结构和方法，规根据仿真目的确定相应的仿真结构和方法，规 定仿真的边界条件与约束条件。定仿真的边界条件与约束条件。 第二步：建立系统的数学模型第二步：建立系统的数