仿真课件 1 概论课件

1、1高高 明明yuming_中国石油大学自动化系中国石油大学自动化系课程内容安排课程内容安排 仿真概述仿真概述 MATLAB MATLAB编程语言编程语言 连续系统的模型描述连续系统的模型描述 经典的连续系统建模方法学经典的连续系统建模方法学 时域连续系统仿真建模技术时域连续系统仿真建模技术 频域连续系统仿真建模技术频域连续系统仿真建模技术 采样控制系统的仿真采样控制系统的仿真 SIMULINKSIMULINK仿真仿真 1系统仿真导论，肖田元等编著，清华大学出版社，20012 控制系统数字仿真与CAD，张晓华主编，机械工业出版社 3控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用第2版， 薛定宇著，

2、清华大学出版社，20064计算机仿真技术与应用，吴旭光、王新民编，西北工业 大学出版社，2004 5控制系统MATLAB计算及仿真，黄忠霖编著，国防工业 出版社，20016控制系统计算机仿真与CAD，陈在平，天津大学出版社， 20027精通MATLAB6.5版，张志涌，北京航空航天大学出版社， 2003参考书参考书本课程的互联网资源本课程的互联网资源The MathWorks公司官方网站产品与全套工具箱手册下载 http:/第三方工具箱下载 http:/ MATLAB 大观园 http:/www.matlab- MATLAB 与应用论坛 http:/Chapter 1 概述系统、模型与仿真系统

3、、模型与仿真01系统仿真的类型系统仿真的类型02仿真技术的应用仿真技术的应用03现代仿真技术现代仿真技术04计算机仿真软件计算机仿真软件0505概念仿真仿真，也称系统仿真，仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实系统的过程，以寻求对真实系统的认识。计算机仿真计算机仿真是基于所建立的系统模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。控制系统计算机仿真基于系统的数学模型，利用计算机对控制系统进行分析与研究。仿真的三个方面：仿真原则：仿真原则：相似性原则相似性原则系统、模型、仿真系统、模型、仿真 系统、模型与仿真01戈登戈登 G.Golden“按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有

4、按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体实体的集合或总和的集合或总和”。System: A group of interacting, interrelated, or interdependent elements forming a complex whole确定边界、输入、输出确定边界、输入、输出理发馆系统：理发馆系统：服务员和顾客是该系统中的实体；顾客按照某种规律到达，服务员根据顾客的要求，按一定的程序为其服务，服务完毕后顾客离去。在该系统中，顾客和服务员互相作用，顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态和理发馆的排队状态，而服务员的多少和服务效率高低也影响着顾客接收服务的质量

5、。系统电机调速系统：电机调速系统：该系统包括电动机、测速元件、比较元件以及控制器等；它们相互作用以实现按给定要求调节电动机的速度。描述系统描述系统“三要素三要素”：实体、属性、活动：实体、属性、活动实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。 系统边界边界环境环境系统系统输入输入输出输出电动机转速闭环控制系统 实体：电动机、测速元件、比较元件以及控制器。相互作用：实现按给定要求调节电动机的速度 系统、模型与仿真01模型模型实际系统本质的抽象与简化实际系统本质的抽象与简化模型是对现实系

6、统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。（1）真实的系统尚未建立（2）可能会引起系统破坏或发生故障 化工系统（3）难以保证每次试验的条件相同，无法判断试验结果（4）试验时间太长或费用昂贵为什么要采用模型呢？为什么要采用模型呢？模型模型的分类模型的分类 物理模型，采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作沙盘模型 数学模型，用数学表达式形式来描述系统的内在规律( , , , )ST XQ Y T：时间基，描述系统变化的时间坐标 T 为整数则称为离散时间系统， T 为实数则称为连续时间系统X：输入集，代表外部环境对系统的作用 X

7、被定义为 ,其中 ，X 即代表 n 个实值的输入变量nRIn系统模型的一般描述系统模型的一般描述( , , , )ST XQ Y ：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式 是 (X,T) 的子集 ：内部状态集，是系统内部结构建模的核心Y ：输出段集，系统通过它作用于环境 ：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的 ：输出函数，输出函数给出了一个输出段集。Q模型建模时，由于要求不同，模型描述的详细程度也不同，称为“表示的层次”不同行为层次亦称为输入/输出水平 将系统视为一个“黑盒”，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测量分解结构层次 将系统看成若干个黑盒连接起来，定义每个黑盒的 输入与输出，

8、以及它们相互之间的连接关系状态结构层次 不仅定义了系统的输入与输出，而且还定义了系统 内部的状态集及状态转移函数模型描述变量的轨 迹模 型形 式变量范围模型的时间集合连续离散空间连续变化模型偏微分方程连续时间模型空间不连续变化模型常微分方程离散（变化）模型差分方程离散时间模型有限状态机马尔可夫链连续时间模型活动扫描事件调度进程交互Orn分类：分类：模型的建立模型的建立 机理分析法QiQoH2LV1001Q12uH1Qdu控制作用为u，控制调节阀LV1001的开度，从而影响第1个水箱的液位 H1 和第2个水箱的液位 H2 ，第1个水箱有干扰流量 Qd ，两个水箱的截面积都是 A。取被控变量为第2

9、个水箱的液位 H2 ，建立该二阶水箱的状态空间表达式描述的数学模型。选取H1和 H2 为状态变量，控制作用u为输入。 系统、模型与仿真011961年，G.W.Morgenthater，首次技术性定义“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下,对于系统或活动本质的实现”。1978年，Krn，“连续系统仿真”“用能代表所研究的系统的模型作实验”。1982年，Spriet进一步将仿真的内涵加以扩充“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”1984年， Orn 给出了仿真的基本概念框架“建模实验分析”“仿真是一种基于模型的活动” 系统、模型、仿真三者之间的关系 系统是研究的对象模型是系统的抽象仿真是对

10、模型的实验 系系 统统模模 型型计算机计算机模型设计模型设计模型分析模型分析模型执行模型执行 计算机仿真三要素及三个基本活动计算机仿真三要素及三个基本活动系统、模型、仿真三者之间的关系 模型设计：系统辨识技术范畴模型执行： “仿真程序”的检验模型分析：将仿真结果与实际系统的行为进行比较 传统上：“仿真建模”针对不同形式的系统模型研究其求解算法现代仿真技术：将仿真活动扩展到上述三个方面，并将其统一到同一环境中。 基本定律及系统辨识等方法 用仿真方法确定实际系统的模型 根据输入输出数据 基于模型库的结构化建模 采用面向对象建模（Object- Oriented Modeling）方法，在 类库的基

11、础上实现模型拼合与重用 许多新算法和新软件 模型与实验分离技术，即模型的数据驱动（data driven） 仿真问题分为两部分：模型与实验 模型又分为两部分：参数模型和参数值 模型参数与其对应的参数模型分离开来，大大提高了仿真效率 将实验框架与仿真运行控制区分 实验框架定义一组条件，包括模型参数、输入变量、观察变量等 输出函数的定义也与仿真模型分离开，以应对不同形式的输出系统建模模型执行模型分析现代仿真技术系统仿真的类型02系统仿真-建立系统的模型,并在模型上进行实验例如: (1) 将按一定比例缩小的飞行器模型置于风洞中吹风, 测出飞行器的升力、阻力、力矩等特性； (2) 要建设一个大水电站,

12、先建一个规模缩小的小水电站来取得 建设水电站的经验及其运行规律. (3) 指挥员利用沙盘来指挥一个战役或一个战斗.系统仿真是分析和研究各种（复杂）系统的重要工具控制系统：先进控制策略在实施之前，必须建立装置的模型进行仿真，观察控制效果系统仿真的类型02物理仿真 数学仿真 半实物仿真物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在 物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟”。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。根据模型的物理属性系统仿真分类数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描 述而得到系统的数学模型，对数学模型

13、进行实验的过 程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真数学仿真优点是：方便、灵活、经济数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立 半实物仿真：将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。 对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现 对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物 仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验 系统仿真的类型02模拟计算机仿真 数字计算机仿真 数字模拟混合仿真 模拟计算机仿真：模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这 是5060年代普遍采用仿

14、真设备。将系统数学 模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟 机仿真。根据仿真计算机类型分类数字计算机仿真：将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过 运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统 仿真的目的。数字模拟混合仿真： 为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模/数和数/模转换装置交换信息。 系统仿真的类型02实际动态系统的时间称为实际时钟系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致 模型仿真的速度与实际

15、系统运行的速度相同，当被仿真的系 统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真。例：各种 训练仿真器亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟 模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为离线仿真超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟 模型仿真的速度快于实际系统运行的速度系统仿真的类型02连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统，分为：集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述如电路系统，机械 动力学系统，生态系统等分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述 如各种物理和工 程领域中的“场”问题离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴。原因是：当用数字仿真技术对连续系统仿真时，其原有的连续形式的

16、模型必须进行离散化处理，最终变为差分模型。连续系统仿真离散事件系统仿真连续系统仿真系统仿真的类型02离散事件系统：指在某些随机时间点上，系统状态发生离散变化 的系统。如库存管理、交通管理和通讯系统等离散事件系统仿真 状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称为“事件” 因而这类系统是由事件驱动的； “事件”往往发生在随机时间点上，亦称为随机事件，因而一般都具 有随机特性 系统的状态变量往往是离散变化的 电话交换台系统 系统的动态特性很难用人们所熟悉的数学方程形式描述 研究与分析的主要目标是系统行为的统计性能而不是行为的点轨迹。 与连续系统的主要区别在于：系统仿真的一般步骤实际系统建模与

17、形式化形式模型仿真建模程序设计仿真模型校验正确否？否仿真运行仿真结果分析是正确否？否是结束仿仿 真真 的的 一一 般般 步步 骤骤可信否？否是 建模与形式化：确定模型的边界， 模型进行形式化处理 确定可信度 仿真建模：选择合适的算法 算法稳定性、计算精度、计算速度满足 要求 程序设计：将仿真模型用计算机能执行的程序来描 述，程序中要包括仿真实验要求（仿真 运行参数、控制参数、输出要求） 模型校验：程序调试，检验所选仿真算法的合理 仿真运行：对模型进行实验 仿真结果分析：对仿真输出进行分析仿真技术的应用03为了研究、分析、设计和实现一个系统需要进行实验 实验的方法： 1）直接在真实系统上进行 2

18、）先构造模型，然后通过对模型的实验代替 （或部分代替）真实系统的实验 通过模型实验的方法日益被人们所使用仿真技术的应用03 在真实系统上试验会破坏系统的正常运行； 难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条件； 很难保证每次的操作条件相同，难以对试验结果做出正确判断； 无法复原； 试验时间太长、费用太大或者有危险等 系统处于设计阶段，真实系统尚未建成在真实系统上进行试验的缺点仿真技术的应用03新系统设计：提供了强有力的工具 在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实的基础 在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行优化设计系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置 利用仿真技

19、术进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对原系统的破坏或影响，大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功率 徒河电站发电机组的安装，事先在电厂仿真系统上进行了细致的分系统实验，对全部自动装置的参数做了整定。仿真技术的应用03训练仿真系统 利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员的系统。三大类：载体操纵型 与运载工具有关的仿真系统，航空、航天、航海、 地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为主要目的过程控制型 训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、化工

20、厂、 核电站、电力网等仿真技术的应用03博弈决策型 企业管理人员（厂长、经理），交通管制人员（火 车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等）， 军事指挥人员（空战、海战、电子战等）的训练。 仿真技术的应用03虚拟现实技术：虚拟环境、模仿人的视、听、动等行为的高级人机交互虚拟制造（Virtual Manufacturing） 是实际制造过程在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程为对象的全方位的应用。 虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术 基于Internet的虚拟现实在各行各业有着广泛的应用，例如房地产、旅游、购物、气象、公安、消防、教育、科研、商业、金融、海洋、农

21、业、娱乐等方面。典型例子波音777的研制，其整机设计、部件测试、整机装配以及试飞均是在计算机上完成的现代仿真新技术04 从建模的方法学来看，除了典型的机理建模及系统辨识方法外，近年来正积极发展模糊优化法、人工智能辅助建模方法学及混合模式 校核、验证及验收技术，已成为复杂系统建模与仿真技术中的重要课题。现代仿真新技术04 仿真算法是将系统模型转换成仿真模型的一类算法，在数字仿真模型中起核心和关键作用。 仿真算法经历了从串行算法到并行算法的发展过程。目前，连续系统与离散事件系统的非实时串行算法已相当完善，当前研究的重点是实时连续系统算法、各类系统的并行算法及定性系统算法。现代仿真新技术05 硬件方

22、面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。 分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。 虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人置身于真实环境之中。计算机仿真软件05 1、程序编程阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。 2、程序软件包阶段 出现了“应用子程序库”。 3、交互式语言阶段（仿真语言）仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。 4、模型化图形组态阶段符合设计人员对基于模型图形化的描述。计算机仿真软件05 1、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。 2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件 3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。 4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真