MATLAB-计算机仿真_1课件

1、 MATLAB MATLAB 与控制系统仿真与控制系统仿真主讲教师：刘晓光主讲教师：刘晓大家先看一组图片神州飞船模拟训练仓神州飞船模拟训练仓模拟飞船监控室模拟飞船监控室大型火力发电厂大型火力发电厂火电仿真机火电仿真机火电仿真机火电仿真机火电仿真机火电仿真机火电仿真机火电仿真机主要内容n计算机仿真的基本概念计算机仿真的基本概念n系统建模的基本方法与模型处理技术系统建模的基本方法与模型处理技术n连续系统数值积分仿真方法学连续系统数值积分仿真方法学n连续系统模型的离散化处理方法连续系统模型的离散化处理方法nMATLAB语言基础语言基础n基于基于Matlab的系统建模的系统建

2、模n基于基于Matlab控制系统的分析方法控制系统的分析方法nMATLAB的仿真集成环境的仿真集成环境Simulink 基础基础第一章第一章 概述概述第一节第一节 计算机仿真的基本概念计算机仿真的基本概念第二节第二节 计算机仿真的发展计算机仿真的发展第一章第一章 概述概述 计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。实际环境进行科学实验的技术。 它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已成为对许多复杂系统进多次重复使用的优点，已成为对许多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可

3、少的手段。行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。 计算机仿真技术是以数学理论为基础，以计计算机仿真技术是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为工具，利用系统模型对实算机和各种物理设施为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验仿真研究的一门综合际的或设想的系统进行实验仿真研究的一门综合技术。技术。 系统仿真系统仿真是是通过通过系统模型系统模型的试验去研究一个的试验去研究一个已存在或正在研究设计的系统的过程。它不是已存在或正在研究设计的系统的过程。它不是系统原型的复现系统原型的复现，而是按研究的侧重面或实际而是按研究的侧重面或实际需要对系统简化提炼，以利于抓住问题的本质需要对系统简化

4、提炼，以利于抓住问题的本质或主要矛盾。或主要矛盾。 用物理模型来进行仿真一般称为用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真物理仿真，它，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。 而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为真一般则称为数字仿真数字仿真。又称。又称计算机仿真计算机仿真。 第一节 计算机仿真的基本概念一、系统一、系统 1、定义：由相互联系、相互制约、相互依存的由相互联系、相互制约、相互依存的若干部分结合在一起形成的具体特定功能和运动若干部分结合在一起形成的具体特定功能和运动规律的有机整体。规律的有机整体

5、。2、系统的三要素：实体实体组成系统的具体对象组成系统的具体对象 属性属性实体所具有的每一种有效特性（状实体所具有的每一种有效特性（状态和参数）；态和参数）；活动活动系统内对象随时间推移而发生的状系统内对象随时间推移而发生的状态变化。态变化。3、系统的性质 整体性整体性4、系统分类静态静态系统和系统和动态动态系统；系统；确定确定系统和系统和随机随机系统；系统；连续连续系统和系统和离散离散系统；系统； 相关性相关性 目的性目的性其它分类：其它分类： 线性线性系统和系统和非线性非线性系统；系统；定常定常系统和系统和时变时变系系统；统；单变量单变量系统和系统和多变量多变量系统等。系统等。一、系统一、

6、系统二、系统模型二、系统模型 是系统某种特定性能的一种抽象形式。是系统某种特定性能的一种抽象形式。 模型的表达形式有模型的表达形式有物理模型物理模型和和数学模型数学模型两类。两类。 数学模型数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，是系统的某种特征本质的数学表达式，是用数学公式来描述所研究的客观对象或系统中是用数学公式来描述所研究的客观对象或系统中的某一方面的问题。的某一方面的问题。 数数学学模模型型 静态模型静态模型 动态模型动态模型 连续系统模型连续系统模型 离散系统模型离散系统模型 三、系统仿真三、系统仿真 一个较流行于工程技术界的定义是：仿真是一个较流行于工程技术界的定义是：仿真是通过

7、对通过对系统模型系统模型的实验去研究一个存在的或设计的实验去研究一个存在的或设计中的系统。这种定义适用于概括了所有工程的中的系统。这种定义适用于概括了所有工程的(技术的技术的)或非工程的或非工程的(非技术的非技术的)系统。系统。1 1、系统、模型和仿真之间的关系、系统、模型和仿真之间的关系系统是研究的对象；系统是研究的对象；模型是系统的抽象；模型是系统的抽象；仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。目的。 系统、模型与计算机系统、模型与计算机仿真实验仿真实验数学模型建立数学模型建立仿真模型建立仿真模型建立计算机计算机计算机仿真的三要素及三个基本活动计算

8、机仿真的三要素及三个基本活动三、系统仿真三、系统仿真2 2、计算机仿真的三个基本要素：数学模型建立数学模型建立：实际上是一个模型辩识的过程。：实际上是一个模型辩识的过程。所建模型常常是忽略了一些次要因素的简化模型。所建模型常常是忽略了一些次要因素的简化模型。仿真模型建立仿真模型建立：即是设计一种算法，以使系统：即是设计一种算法，以使系统模型能被计算机接受并能在计算机上运行。显然，模型能被计算机接受并能在计算机上运行。显然，由于在算法设计上存在着误差，所以仿真模型对由于在算法设计上存在着误差，所以仿真模型对于实际系统将是一个二次简化模型。于实际系统将是一个二次简化模型。仿真实验仿真实验：即是对模

9、型的运算。需要设计一个：即是对模型的运算。需要设计一个合理的、服务于系统研究的仿真软件。合理的、服务于系统研究的仿真软件。 三、系统仿真三、系统仿真3 3、系统仿真的三个基本活动、系统仿真的三个基本活动A、按系统的模型特征分：、按系统的模型特征分： （1）连续系统仿真）连续系统仿真 对系统状态量随时间连续变化的系统的仿真对系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，数学模型包括：连续模型（微分方程）、研究，数学模型包括：连续模型（微分方程）、离散时间模型（差分方程）及连续离散时间模型（差分方程）及连续离散混合离散混合模型。仿真方法主要是微（差）分方程的数值模型。仿真方法主要是微（差）分方程的数值

10、求解方法。求解方法。三、系统仿真三、系统仿真4 4、系统仿真的分类系统仿真的分类 （3）混合系统仿真：）混合系统仿真： 当系统的数学模型是由上述两类模型混合构当系统的数学模型是由上述两类模型混合构成时，称为混合系统仿真。其仿真方法是将上成时，称为混合系统仿真。其仿真方法是将上述两类方法述两类方法综合综合于一体。于一体。（4）系统动力学仿真：）系统动力学仿真： 当对象的数学模型是用系统动力学方程式来当对象的数学模型是用系统动力学方程式来描述时，该系统的仿真称为系统动力学仿真。描述时，该系统的仿真称为系统动力学仿真。（2）离散事件系统仿真：）离散事件系统仿真： 对系统状态只在一些时间点上由随机事件

11、的驱对系统状态只在一些时间点上由随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真称为离散事件系统动而发生变化的系统进行仿真称为离散事件系统仿真。其数学模型多用流程图或网络图来描述。仿真。其数学模型多用流程图或网络图来描述。三、系统仿真三、系统仿真 B、按参与仿真的模型种类分：、按参与仿真的模型种类分：（1）物理仿真）物理仿真按照实际系统的性质构造系统的物理模型进按照实际系统的性质构造系统的物理模型进行试验研究，直观形象、逼真；但投资大、周期行试验研究，直观形象、逼真；但投资大、周期长，又不易修改。长，又不易修改。（2）数学仿真：）数学仿真： 首先建立系统的数学模型，并将数学模型转首先建立系统的数学模型，

12、并将数学模型转换成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到研换成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到研究系统运行的目的。究系统运行的目的。特点是方便灵活、经济、通用，发展迅速。特点是方便灵活、经济、通用，发展迅速。三、系统仿真三、系统仿真 将系统的一部分用数学模型描述，用计算机将系统的一部分用数学模型描述，用计算机运行仿真计算模型，另一部分以实物（或物理模运行仿真计算模型，另一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路。型）方式引入仿真回路。半实物仿真半实物仿真特点特点：可将不易建模的部分以实物形式参与仿真，从而可将不易建模的部分以实物形式参与仿真，从而避免了建模的困难；避免了建模的困难；进一步检验

13、系统数学模型的正确性和仿真的精确性进一步检验系统数学模型的正确性和仿真的精确性可检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统可检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统的参数和控制的性能指标及可靠性，准确调整系统的参数和控制规律。在航空航天、电力系统等研究中十分重要。规律。在航空航天、电力系统等研究中十分重要。三、系统仿真三、系统仿真（）物理数学（半实物）仿真（）物理数学（半实物）仿真仿真仿真实时仿真实时仿真T非实时仿真非实时仿真超实时仿真超实时仿真亚实时仿真亚实时仿真TT三、系统仿真三、系统仿真C、按仿真时钟、按仿真时钟 与实际时钟与实际时钟 T 的比例分的比例

14、分（1）模拟计算机仿真：）模拟计算机仿真： 模拟仿真模拟仿真是基于数学模型相似原理的一种方是基于数学模型相似原理的一种方法。模拟计算机由一些基本的模拟运算部件组成，法。模拟计算机由一些基本的模拟运算部件组成，这些运算部件有：积分器、加法器、系数器、函这些运算部件有：积分器、加法器、系数器、函数发生器、乘法器等。数发生器、乘法器等。 模拟计算机是并行运算的，运算速度快，但模拟计算机是并行运算的，运算速度快，但精度不高，由于它可以实现传递函数为精度不高，由于它可以实现传递函数为1/s的积的积分运算，可以方便地求解微分方程。分运算，可以方便地求解微分方程。三、系统仿真三、系统仿真 D、按计算机类型分

15、：、按计算机类型分： 数字计算机仿真数字计算机仿真是基于数值计算原理的仿真，是基于数值计算原理的仿真，它的主要工具是：数字计算机和相应的数字仿真它的主要工具是：数字计算机和相应的数字仿真软件。软件。 应用数字计算机仿真的首要步骤是必须把数应用数字计算机仿真的首要步骤是必须把数学模型离散化，因为数字计算机本身就是一个离学模型离散化，因为数字计算机本身就是一个离散系统。散系统。 （3 3）混合计算机仿真：）混合计算机仿真： 由模拟计算机和数字计算机通过一套由模拟计算机和数字计算机通过一套A/D、D/A接口组成，具有模拟计算机的快速性和数字接口组成，具有模拟计算机的快速性和数字计算机的高精度和灵活性

16、的优点。计算机的高精度和灵活性的优点。三、系统仿真三、系统仿真（2 2）数字计算机）数字计算机仿真：仿真：系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤 建立系统的数学模型；建立系统的数学模型；转换成仿真模型；转换成仿真模型；编写仿真程序；编写仿真程序； 对仿真模型进行修改校验，对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，看与实际系统是否一致，确认模型的正确性。确认模型的正确性。运行仿真程序，在不同的运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系初始条件和参数下，对系统进行反复分析和研究。统进行反复分析和研究。系统仿真的应用系统仿真的应用 系统分析与设计；系统分析与设计；系统理论研究；系统理论研究；专职

17、人员培训专职人员培训；系统仿真的目的及其作用：系统仿真的目的及其作用：优化设计优化设计经济性经济性安全性安全性预测性预测性“虚拟作战环境虚拟作战环境”一种分布建模与仿真系统，供复杂产品一种分布建模与仿真系统，供复杂产品的系统（武器系统）总体进行分析、评估与论证；作战战术研的系统（武器系统）总体进行分析、评估与论证；作战战术研究；作战人员训练等。究；作战人员训练等。系统仿真的应用系统仿真的应用虚拟样机开发平台虚拟样机开发平台支持多学科虚拟样机的设计和综合优化支持多学科虚拟样机的设计和综合优化系统仿真的应用系统仿真的应用虚拟场景虚拟场景系统仿真的应用系统仿真的应用第二节第二节 计算机仿真的发展计算

18、机仿真的发展因为仿真是一门综合性技术学科，它涉及因为仿真是一门综合性技术学科，它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技术等，所以它的发展也是与其它技术的发展紧术等，所以它的发展也是与其它技术的发展紧密相连密相连。主要看一下仿真软件的发展，一般分。主要看一下仿真软件的发展，一般分成三个阶段。成三个阶段。1.模型描述的规范与处理；模型描述的规范与处理；2.仿真试验的执行控制；仿真试验的执行控制；3.资料结果的分析、显示及文档化；资料结果的分析、显示及文档化；4.模型、程序、数据、图形的存储、检索与管理模型、程序、数据、图形的存储、检索与管理 系统仿真技

19、术是从系统仿真技术是从50年代诞生的。近三十年来，随年代诞生的。近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，出现了许多优秀的计算机应着计算机技术的飞速发展，出现了许多优秀的计算机应用软件，还有专用的仿真语言。用软件，还有专用的仿真语言。系统仿真软件系统仿真软件是一类面向系统仿真软件是一类面向仿真用途仿真用途的计算机应的计算机应用软件，其主要功能：用软件，其主要功能：、软件包阶段、软件包阶段 ：一般由：一般由Basic语言或语言或Fortran语言编成语言编成某类仿真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编某类仿真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编写上。写上。、交互式语言阶段、交互式语言阶段：60年代年代-70年代出现了一些专用年代出现了一些专用的仿真语言，虽然有了人机交互，但应用起来仍不是十的仿真语言，虽然有了人机交互，但应用起来仍不是十分方便，必须有严格的格式分方便，必须有严格的格式 。、面向对象的程序环境阶段、面向对象的程序环境阶段：采用：采用Visual C+等语言等语言开发出实用的、具有良好人机交互功能的软件。还有一开发出实用的、具有良好人机交互功能的软件。还有一些专用软件，些专用软件