计算机仿真14394

1、1控制系统计算机仿真技术控制系统计算机仿真技术2 1 1 课程性质及教学目的课程性质及教学目的 控制系统控制系统计算机仿真技术计算机仿真技术是是分析、分析、研究、设计研究、设计控制系统的强有力工具，是从控制系统的强有力工具，是从事自动化、控制系统工程、计算机应用技事自动化、控制系统工程、计算机应用技术人员必须掌握的一门术人员必须掌握的一门新型技术。新型技术。 3 开设本课程的开设本课程的目的目的是为了适应当是为了适应当前科技的发展和实际工程应用的需要，前科技的发展和实际工程应用的需要，为高等学校应用型本科教育的工科机为高等学校应用型本科教育的工科机电类控制专业和计算机应用专业电类控制专业和计算

2、机应用专业的学的学生提供帮助。生提供帮助。41. 使学生能够系统地学习计算机控制与仿真的基本使学生能够系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理论及其应用技术，知识、基本理论及其应用技术，2.2.理解控制原理和系统的分析方法，理解控制原理和系统的分析方法，3.3.掌握计算机仿真的原理及仿真算法，掌握计算机仿真的原理及仿真算法，4.4.熟练运用熟练运用MATLABMATLAB和和SIMULINKSIMULINK相关软件平台对控制相关软件平台对控制系统进行仿真编程及调试、运行，培养扎实的操系统进行仿真编程及调试、运行，培养扎实的操作技能，为今后在相关领域的应用打下良好的基作技能，为今后在相关领域

3、的应用打下良好的基础。础。52. 2. 课程教学安排课程教学安排总学时：总学时：40学时；其中实验：学时；其中实验：816学时学时考试形式：笔试考试形式：笔试+实践操作实践操作 3. 3. 教材特点教材特点以以应用技术应用技术为主线，按控制与仿真的应用实例进行为主线，按控制与仿真的应用实例进行分析，分析，强化实践能力强化实践能力的锻炼，既掌握的锻炼，既掌握计算机控制与仿计算机控制与仿真应用的基本原理真应用的基本原理，又对，又对新兴计算机仿真技术新兴计算机仿真技术有所跟有所跟踪。踪。 6 通过各种通过各种典型知识典型知识及其应用技术的学习，注重培及其应用技术的学习，注重培养面向生产一线的应用型人

4、才的养面向生产一线的应用型人才的专业技能专业技能和和实用技实用技术术，以适应工程技术教育的需要。，以适应工程技术教育的需要。 教材中的相关概念、理论及应用均以基本要求为教材中的相关概念、理论及应用均以基本要求为主，主，突出实用突出实用的特点；在表达上做到层次清晰，脉的特点；在表达上做到层次清晰，脉络分明，易于理解；在内容的编排上由浅入深，循络分明，易于理解；在内容的编排上由浅入深，循序渐进，序渐进，突出重点突出重点，通俗易懂。，通俗易懂。 7 4. 4. 教材的主要模块教材的主要模块自动控制与系统仿真的相关概念和基础知识；自动控制与系统仿真的相关概念和基础知识；控制系统的微分方程、传递函数、动

5、态结构图、控制系统的微分方程、传递函数、动态结构图、状态空间描述等数学模型；状态空间描述等数学模型；控制原理和系统性能的时域分析及频域分析法；控制原理和系统性能的时域分析及频域分析法；计算机控制技术的应用，以常见程序设计、数字计算机控制技术的应用，以常见程序设计、数字PIDPID调节、直接数字控制等内容为主调节、直接数字控制等内容为主；8数值积分法和离散相似法的仿真原理及应用；数值积分法和离散相似法的仿真原理及应用；MATLABMATLAB的基本知识及其应用；的基本知识及其应用；SIMULINK SIMULINK 交互式仿真和基本操作；交互式仿真和基本操作；控制系统仿真的应用实例分析。控制系统

6、仿真的应用实例分析。9 本章主要教学内容本章主要教学内容自动控制的基本概念及其应用自动控制的基本概念及其应用开、闭环控制系统的构成和特点开、闭环控制系统的构成和特点控制系统的分类和总体性能要求控制系统的分类和总体性能要求计算机仿真的概念及其特点计算机仿真的概念及其特点系统仿真的分类及仿真过程系统仿真的分类及仿真过程计算机仿真技术的应用计算机仿真技术的应用第第1章章绪论绪论 10本章教学目的及要求本章教学目的及要求理解自动控制的基本概念理解自动控制的基本概念掌握自动控制系统的组成及分类掌握自动控制系统的组成及分类掌握计算机仿真的基本概念掌握计算机仿真的基本概念 熟悉计算机仿真的特点及其应用熟悉计

7、算机仿真的特点及其应用第第1章章绪论绪论 11 1.1 1.1 自动控制的基本概念及其应用自动控制的基本概念及其应用1.1.1 1.1.1 控制理论的发展控制理论的发展1. 1. 经典控制理论经典控制理论 经典控制理论以经典控制理论以反馈控制系统反馈控制系统的稳定性为目标，主要研的稳定性为目标，主要研究单输入究单输入/ /单输出（单输出（SISOSISO）系统。）系统。 此类控制系统的分析与设计主要以此类控制系统的分析与设计主要以拉普拉斯（拉普拉斯（LaplaceLaplace）变换和变换和Z Z变换变换为数学工具，用为数学工具，用微分方程、传递函数和结构图微分方程、传递函数和结构图等描等描述

8、系统的动态特性，用述系统的动态特性，用时域法、频域响应、根轨迹法时域法、频域响应、根轨迹法来分析研来分析研究和设计控制系统。究和设计控制系统。 第第1章章绪论绪论 12 经典控制理论特点：经典控制理论特点：（1 1）本质上是一种）本质上是一种频域法频域法，以控制系统的，以控制系统的输入输入/ /输出特性输出特性作为研究的依据，侧重于系统的作为研究的依据，侧重于系统的输出响应性能输出响应性能。（2 2）在）在特定信号特定信号作用下对控制系统进行分析并研究作用下对控制系统进行分析并研究系统输系统输出的响应出的响应。（3 3）系统控制器由能实现）系统控制器由能实现典型控制规律典型控制规律的调节器构成

9、，通的调节器构成，通过校正使控制系统达到预期的响应性能。过校正使控制系统达到预期的响应性能。（4 4）经典控制理论的基本内容包括时域法、频域法、根轨）经典控制理论的基本内容包括时域法、频域法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何判据以及校正迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何判据以及校正网络的设计等，研究的主要问题是网络的设计等，研究的主要问题是控制系统的稳定性控制系统的稳定性、动动态性能和稳态精度态性能和稳态精度，以及改善系统性能的方法，以及改善系统性能的方法。 第第1章章绪论绪论 13 2. 2. 现代控制理论现代控制理论 现代控制理论以现代控制理论以线性代数为数学工具线性代数为数

10、学工具，用，用状状态空间态空间法来描述系统的法来描述系统的内部性能内部性能，用零极点配置、，用零极点配置、最优控制、状态方程等理论来研究和设计控制系统。最优控制、状态方程等理论来研究和设计控制系统。主要处理主要处理多输入多输入/ /多输出多输出（MIMOMIMO）系统的）系统的稳定性稳定性、能控性能控性、能观测性能观测性等问题。等问题。 第第1章章绪论绪论 14 现代控制理论特点现代控制理论特点：（1 1）本质上是一种）本质上是一种时域时域方法，建立在方法，建立在状态变量状态变量的基础上以多的基础上以多变量、线性及非线性系统为研究对象。变量、线性及非线性系统为研究对象。（2 2）以）以状态空间

11、状态空间法对系统进行数学描述，并在此基础上进行法对系统进行数学描述，并在此基础上进行各种各种定性和定量的分析定性和定量的分析以及期望特性的控制规律设计。以及期望特性的控制规律设计。（3 3）以）以现代数学方法现代数学方法为主要分析手段。为主要分析手段。（4 4）以）以计算机计算机为主要计算及分析工具。为主要计算及分析工具。（5 5）能够处理复杂非线性、多输入）能够处理复杂非线性、多输入/ /多输出、参数时变等多输出、参数时变等复复杂控制对象杂控制对象。第第1章章绪论绪论 15第第1章章绪论绪论 1.1.2 1.1.2 自动控制的概念及其应用自动控制的概念及其应用1. 1. 系统的定义系统的定义

12、 控制工程中系统定义为：由控制工程中系统定义为：由相互联系相互联系、相互作用相互作用的物体所形成的具有的物体所形成的具有特定功能特定功能和和运动规律运动规律的的有机整体有机整体。 如：一个如：一个大型钢铁联合企业大型钢铁联合企业可以看作是一个系统，可以看作是一个系统，它由相互联系和相互作用的采矿、选矿、炼铁、炼钢、它由相互联系和相互作用的采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧钢、成品制造等工厂轧钢、成品制造等工厂有机的组合在一起有机的组合在一起。16 2.2.系统的三要素系统的三要素 如果从系统本身的如果从系统本身的组成、特点和规律组成、特点和规律等方面进行评价，一等方面进行评价，一个系统应具备以下三大要

13、素：个系统应具备以下三大要素： （1 1）实体）实体 系统是由一些相互联系的系统是由一些相互联系的实际物体实际物体组合而成的，这些物体组合而成的，这些物体称为实体。称为实体。 如图如图1-11-1所示的温度控制系统，由所示的温度控制系统，由比较器、调节器、加热炉、比较器、调节器、加热炉、温度传感器温度传感器等装置组合而成，这些装置就是实体。等装置组合而成，这些装置就是实体。 绪论绪论 第第1章章17图图1-1 温度控制系统温度控制系统第第1章章绪论绪论 调节器加热炉传感器温度反馈给定扰动18 （2 2）属性）属性 组成系统的每个实体都具备一定的组成系统的每个实体都具备一定的特征特征，这些特征称

14、为系统，这些特征称为系统的属性。图的属性。图1-11-1温度控制系统中，温度控制系统中，温度、偏差值、干扰量、燃料温度、偏差值、干扰量、燃料量量等就是实体的属性。等就是实体的属性。 （3 3）活动）活动 在内外部因素的作用下系统会按照一定的在内外部因素的作用下系统会按照一定的规律发生变化规律发生变化，该，该过程称之为活动。温度控制系统中，以调节电压或燃料的输入过程称之为活动。温度控制系统中，以调节电压或燃料的输入量作为主要的活动。量作为主要的活动。第第1章章绪论绪论 19 3. 3. 系统的特性系统的特性（1 1）整体性整体性：系统作为一个整体存在，各组成部分不可分割。：系统作为一个整体存在，

15、各组成部分不可分割。（2 2）结构性结构性：各类系统均按照一定的内部特性或外部结构组合：各类系统均按照一定的内部特性或外部结构组合而成。而成。（3 3）相关性相关性：系统内部各物体之间以一定的规律进行相互联系：系统内部各物体之间以一定的规律进行相互联系和作用。和作用。（4 4）历时性历时性：在控制过程中会随着时间的推移，使系统的状态：在控制过程中会随着时间的推移，使系统的状态和效果发生变化。和效果发生变化。（5 5）有序性有序性：各实体在变化过程中按照一定的操作顺序进行动：各实体在变化过程中按照一定的操作顺序进行动作。作。第第1章章绪论绪论 201.1.3 1.1.3 自动控制的任务自动控制的

16、任务1. 1. 基本概念基本概念（1 1）控制控制：对被控对象进行主动干预、管理和操纵的过程。：对被控对象进行主动干预、管理和操纵的过程。（2 2）自动控制自动控制：采用控制装置有目的地对机器设备或生产过程：采用控制装置有目的地对机器设备或生产过程进行控制并达到预期状态或性能的过程。进行控制并达到预期状态或性能的过程。（3 3）自动控制系统自动控制系统：能够对被控对象的一些物理量进行自动控：能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的有机整体。制的有机整体。绪论绪论 第第1章章21 2 2自动控制的任务自动控制的任务 自动控制的任务自动控制的任务就是利用控制装置就是利用控制装置自动地自动地操纵控制

17、对象，操纵控制对象，使被控量等于系统所应保持的给定值。使被控量等于系统所应保持的给定值。 如果系统的输入量以时间函数来表示，输出量以时间函数如果系统的输入量以时间函数来表示，输出量以时间函数来表示，则自动控制的任务可以表示为：来表示，则自动控制的任务可以表示为： 第第1章章绪论绪论 )()(trtc221.1.4 1.1.4 自动控制的基本方式自动控制的基本方式 按照系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统控制按照系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统控制方式分为方式分为开环控制开环控制和和闭环控制闭环控制两大类，开环控制又有按给定值操两大类，开环控制又有按给定值操纵和按干扰值补偿两

18、种方式。纵和按干扰值补偿两种方式。 1.1.按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制 该方式是按照系统的该方式是按照系统的给定值来控制输出量给定值来控制输出量，两者之间一一对，两者之间一一对应。控制过程如图应。控制过程如图1-51-5所示。所示。 第第1章章绪论绪论 23图图1-5 按给定值操纵的开环控制系统按给定值操纵的开环控制系统绪论绪论 第第1章章控制器执行机构被控对象给定值被控量干扰24按给定值操纵的开环控制具备以下特点：按给定值操纵的开环控制具备以下特点：信号信号单向传递单向传递。给定给定一个输入一个输入与之对应与之对应一个输出一个输出。控制控制精度精度比较比较低低，自身无法纠正

19、内部和外部的干扰影响。，自身无法纠正内部和外部的干扰影响。结构结构简单简单，成本低，容易实现。，成本低，容易实现。多用于精度要求不高，内外部干扰影响比较小的场合。多用于精度要求不高，内外部干扰影响比较小的场合。 例如，自动化流水线、自动售货机、全自动洗衣机等都是例如，自动化流水线、自动售货机、全自动洗衣机等都是采用给定值操纵的开环控制方式。采用给定值操纵的开环控制方式。 第第1章章绪论绪论 25绪论绪论 第第1章章2.2.按干扰值补偿的开环控制按干扰值补偿的开环控制 该方式中，系统的该方式中，系统的输入量是外部干扰信号输入量是外部干扰信号，经过，经过测量利用干扰信号产生控制作用，以测量利用干扰

20、信号产生控制作用，以补偿或抵消补偿或抵消其对其对系统产生的影响。其控制过程如图系统产生的影响。其控制过程如图1-71-7所示。所示。26绪论绪论 第第1章章计算执行被控对象测量被控量干扰量图图1-7 按干扰补偿的开环控制按干扰补偿的开环控制27按干扰值补偿的开环控制具备以下特点：按干扰值补偿的开环控制具备以下特点：外部输入的外部输入的干扰量干扰量经测量、计算、执行装置到被控对经测量、计算、执行装置到被控对象象单向传递单向传递。在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行检测出来并对其进行补偿补偿。该方式通常用于系统该方式通常用于

21、系统内外部干扰信号内外部干扰信号较大且较大且可以测量可以测量的场合。的场合。 例如，机械加工恒速控制装置，电源稳压控制装置例如，机械加工恒速控制装置，电源稳压控制装置等都是按干扰值补偿的开环控制方式。等都是按干扰值补偿的开环控制方式。绪论绪论 第第1章章283.3.按偏差调节的闭环控制（反馈控制）按偏差调节的闭环控制（反馈控制） 系统输出量反馈到输入端产生偏差后对输出量再进行控制的系统输出量反馈到输入端产生偏差后对输出量再进行控制的系统叫做系统叫做闭环控制系统闭环控制系统。 反馈是把反馈是把系统输出量全部或一部分回送到输入端系统输出量全部或一部分回送到输入端以增强或减以增强或减弱输入信号的效应

22、。起增强效应时为正反馈，起减弱效应时为负弱输入信号的效应。起增强效应时为正反馈，起减弱效应时为负反馈。正反馈会使系统的偏差越来越大；只有反馈。正反馈会使系统的偏差越来越大；只有负反馈控制负反馈控制才能完才能完成自动控制的任务。成自动控制的任务。 闭环控制的原理就是通过传感器测量出系统的闭环控制的原理就是通过传感器测量出系统的实际输出值实际输出值，反馈到输入端与系统的反馈到输入端与系统的给定值给定值比较产生比较产生偏差偏差，再按照偏差的大小，再按照偏差的大小自动地加以修正。自动地加以修正。第第1章章绪论绪论 29图图1-8 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制绪论绪论 第第1章章控制器执行机

23、构被控对象测量给定值被控量干扰-30 按偏差调节的闭环控制主要表现在以下两个过程：按偏差调节的闭环控制主要表现在以下两个过程：（1 1）输入量测量反馈比较环节）输入量测量反馈比较环节产生测量偏差产生测量偏差；（2 2）放大环节执行机构）放大环节执行机构消除偏差消除偏差。 闭环控制系统特点：闭环控制系统特点：信号既可单向传递又有反馈传递，形成信号既可单向传递又有反馈传递，形成闭合回路闭合回路。为了得到偏差信号必须为了得到偏差信号必须采用负反馈采用负反馈。可可自动修正输出量的偏差自动修正输出量的偏差，并对系统内外部干扰进行补偿。，并对系统内外部干扰进行补偿。控制精度控制精度较高，使用场合比较广。较

24、高，使用场合比较广。第第1章章绪论绪论 313. 3. 开环控制与闭环控制系统的比较开环控制与闭环控制系统的比较开环控制开环控制系统结构简单、容易实现，成本低，系统调试方便，但抗干系统结构简单、容易实现，成本低，系统调试方便，但抗干扰能力差，控制精度较低，一般多用于扰能力差，控制精度较低，一般多用于控制过程比较简单控制过程比较简单、精度要求不高的场合。精度要求不高的场合。闭环控制闭环控制系统具有自动纠正偏差的能力，并可对内、外部干扰信号系统具有自动纠正偏差的能力，并可对内、外部干扰信号进行补偿，控制精度高，但组成的系统包含元件多、结构复进行补偿，控制精度高，但组成的系统包含元件多、结构复杂，价

25、格也较高，多用于控制精度要求较高，杂，价格也较高，多用于控制精度要求较高，系统结构较复系统结构较复杂的场合杂的场合。第第1章章绪论绪论 321.1.5 1.1.5 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 对控制系统的总体性能要求是：对控制系统的总体性能要求是：系统系统稳定稳定程度高程度高动态过程动态过程平稳性平稳性好好动态响应时间动态响应时间短短最终最终控制精度高控制精度高 工程上把它归结为工程上把它归结为稳、快、准稳、快、准三个方面。三个方面。绪论绪论 第第1章章33 控制原理需要解决的问题和方法：控制原理需要解决的问题和方法：（1 1）分析系统分析系统稳定性与结构、参量之间的稳定性与结构

26、、参量之间的对应关系对应关系，给出判断，给出判断系统稳定性的方法。系统稳定性的方法。（2 2）分析分析参量与暂态响应的对应关系以及控制规律，提供计算参量与暂态响应的对应关系以及控制规律，提供计算暂态响应性能指标的方法。暂态响应性能指标的方法。（3 3）指出指出系统的控制规律、参量与稳态响应之间的关系，给出系统的控制规律、参量与稳态响应之间的关系，给出计算系统稳态误差的方法。计算系统稳态误差的方法。（4 4）当原有性能不能达到规定的性能指标时，根据需求适当）当原有性能不能达到规定的性能指标时，根据需求适当加加入校正入校正装置，提供改善系统整体性能的方法和手段。装置，提供改善系统整体性能的方法和手

27、段。第第1章章绪论绪论 341.2 1.2 控制系统的组成及分类控制系统的组成及分类1.2.1 1.2.1 控制系统的组成控制系统的组成 典型的闭环控制系统如图典型的闭环控制系统如图1-121-12所示，图中相应控制信号和所示，图中相应控制信号和各类装置、名词术语讨论如下。各类装置、名词术语讨论如下。图图1-12 1-12 典型的闭环控制系统结构图典型的闭环控制系统结构图第第1章章绪论绪论 G1G2H+rebmnc+-351. 1. 典型装置及其含义典型装置及其含义（1 1）控制装置控制装置G1G1：能够对被控对象起控制作用的设备：能够对被控对象起控制作用的设备总称。总称。 （2 2）被控对象

28、被控对象G2G2：系统中的控制对象。：系统中的控制对象。（3 3）反馈环节反馈环节H H：用于检测系统输出状况的测量装置。：用于检测系统输出状况的测量装置。（4 4）比较环节比较环节：也称比较元件，系统中进行信号叠加：也称比较元件，系统中进行信号叠加的作用点，以产生偏差信号。的作用点，以产生偏差信号。 第第1章章绪论绪论 362. 2. 各类信号及其含义各类信号及其含义（1 1）输入信号输入信号r r：系统给定值。：系统给定值。（2 2）输出信号输出信号c c：系统的输出量。：系统的输出量。（3 3）主反馈信号主反馈信号b b：主反馈环节的输出信号。：主反馈环节的输出信号。（4 4）偏差信号偏

29、差信号e e：输入信号与主反馈信号之差，：输入信号与主反馈信号之差，e er rb b。（5 5）控制信号控制信号m m：控制装置的输出量。：控制装置的输出量。（6 6）干扰信号干扰信号n n：系统内部和外部的干扰量。：系统内部和外部的干扰量。第第1章章绪论绪论 37 3. 3. 有关名词术语有关名词术语（1 1）前向通道前向通道：从输入端到输出端的正向传输通道。：从输入端到输出端的正向传输通道。（2 2）主反馈通道主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道。：从输出量到主反馈信号之间的通道。（3 3）主反馈回路主反馈回路：前向通道与主反馈通道所形成的连续传输的：前向通道与主反馈通道所形成的连

30、续传输的闭合回路。闭合回路。（4 4）局部反馈回路局部反馈回路：信号从前向通道与反馈通道连续传输的闭：信号从前向通道与反馈通道连续传输的闭合回路。合回路。（5 5）单位反馈系统单位反馈系统：当主反馈环节的：当主反馈环节的H=1H=1时，主反馈信号等于输时，主反馈信号等于输出量的系统。出量的系统。（6 6）非单位反馈系统非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统，此时：主反馈信号不等于输出量的系统，此时主反馈环节主反馈环节H1H1。 第第1章章绪论绪论 381.2.2 1.2.2 控制系统的分类控制系统的分类1. 1. 按系统的物理特征分类按系统的物理特征分类（1 1）工程系统工程系统（2 2

31、）非工程系统非工程系统2. 2. 按系统的输出特征分类按系统的输出特征分类 （1 1）随动系统）随动系统（2 2）自动稳定系统）自动稳定系统（3 3）程序控制系统）程序控制系统（4 4）数字控制系统）数字控制系统第第1章章绪论绪论 393. 3. 按系统的数学模型分类按系统的数学模型分类（1 1）线性系统）线性系统（2 2）非线性系统）非线性系统4. 4. 按系统中信号的变化规律分类按系统中信号的变化规律分类（1 1）线性连续系统）线性连续系统 （2 2）采样系统）采样系统（3 3）离散事件系统）离散事件系统5. 5. 按系统的复杂程度分类按系统的复杂程度分类（1 1）简单系统）简单系统（2

32、2）复杂系统）复杂系统第第1章章绪论绪论 40绪论绪论 第第1章章1.3 1.3 计算机仿真概述计算机仿真概述 在工程设计与理论学习中，会接触许多控制系统的分析、综合在工程设计与理论学习中，会接触许多控制系统的分析、综合与设计问题，需要对相应的系统进行实验研究与设计问题，需要对相应的系统进行实验研究解析法、实解析法、实验法、仿真实验法验法、仿真实验法。 一、解析法：运用已掌握的一、解析法：运用已掌握的理论知识（定理、定律）理论知识（定理、定律）对控制对控制系统进行理论上的分析、计算。纯系统进行理论上的分析、计算。纯理论意义理论意义上的上的实验分析方法实验分析方法。 受理论的不完善性以及对事物认

33、识的不全面性等影响，解受理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等影响，解析法有很大析法有很大局限性局限性。41绪论绪论 第第1章章二、实验法：对二、实验法：对已有的已有的实际系统，利用仪器设备对系统实际系统，利用仪器设备对系统施加施加一一定类型的定类型的信号或用运行型号信号或用运行型号，测取，测取系统响应系统响应来确定系统性能的来确定系统性能的方法。方法。 简明、直观、真实，经常使用。简明、直观、真实，经常使用。 1 1）控制系统的设计问题，）控制系统的设计问题，系统还未建立系统还未建立，无法实验。，无法实验。 2 2）实际系统）实际系统不允许实验不允许实验，化工控制中，随意改变系统运，化工控

34、制中，随意改变系统运行参数，会导致最终成品报废，造成巨额损失。行参数，会导致最终成品报废，造成巨额损失。 3 3）费用过高、具有危险性、周期较长费用过高、具有危险性、周期较长。如：大型加热炉、。如：大型加热炉、飞行器、核反应装置等。飞行器、核反应装置等。42绪论绪论 第第1章章三、仿真实验法：在三、仿真实验法：在模型上模型上（物理的或数学的）所进行的系统（物理的或数学的）所进行的系统性能分析与研究的实验方法，遵循的基本原则是性能分析与研究的实验方法，遵循的基本原则是相似原理相似原理。 物理模型，物理模型，“风洞风洞”，环境相似环境相似。“船舶设计船舶设计”，几何几何相似相似。效果逼真、精度高；

35、造价高，耗时长。效果逼真、精度高；造价高，耗时长。 数学模型，可用计算机实现。性能相似。建立高精度的数学模型，可用计算机实现。性能相似。建立高精度的数学模型。数学模型。43绪论绪论 第第1章章1.3.11.3.1系统仿真的概念和仿真过程系统仿真的概念和仿真过程1. 1. 仿真的定义仿真的定义 仿真是指利用仿真是指利用模型模型对对实际系统实际系统进行进行实验研究实验研究的过程，或者的过程，或者说，仿真是一种通过说，仿真是一种通过模型实验模型实验揭示系统原型的揭示系统原型的运动规律运动规律的方法。的方法。2. 2. 相似原理相似原理（1 1）描述系统原型和模型的数学表达式在）描述系统原型和模型的数

36、学表达式在形式上形式上是完全相同是完全相同的。的。（2 2）系统中变量之间存在着）系统中变量之间存在着一一对应一一对应的关系且成比例。的关系且成比例。44第第1章章绪论绪论 （3 3）一个表达式的变量被另一个表达式中相应变量置换后，）一个表达式的变量被另一个表达式中相应变量置换后，表达式对应各项的表达式对应各项的系数保持相等系数保持相等。3. 3. 系统仿真的系统仿真的三要素三要素 仿真研究的对象是仿真研究的对象是控制系统控制系统，而系统特性的表征主要采用，而系统特性的表征主要采用与之相应的系统与之相应的系统数学模型数学模型，将模型放到，将模型放到计算机计算机上进行相应的处理上进行相应的处理就

37、构成完整的系统仿真过程。就构成完整的系统仿真过程。 因此，我们将实际系统、数学模型、计算机称为系统仿真因此，我们将实际系统、数学模型、计算机称为系统仿真的的三要素三要素。其相互关系可表示为图。其相互关系可表示为图1-151-15所示。所示。 对应三要素有三个基本活动：对应三要素有三个基本活动：模型建立模型建立、仿真实验仿真实验、结果结果分析分析。45数学模型计算机实际系统模型转换仿真试验模型建立图图1-15系统仿真三要素的对应关系系统仿真三要素的对应关系第第1章章绪论绪论 46 4. 4. 系统仿真过程系统仿真过程描述问题描述问题，明确目的，进行方案设计与系统定义，明确目的，进行方案设计与系统

38、定义 ；建立建立系统的系统的数学模型数学模型 ；将系统的数学模型转化换将系统的数学模型转化换仿真模型仿真模型； 编制编制仿真程序仿真程序； 进行仿真实验并进行仿真实验并输出结果输出结果。 第第1章章绪论绪论 47第第1章章p借助功能非常强大的科学计算软件借助功能非常强大的科学计算软件MATLABMATLAB及其及其SIMUKINKSIMUKINK集成集成环境作为仿真工具来研究和分析控制系统已经比较普遍。环境作为仿真工具来研究和分析控制系统已经比较普遍。p利用利用MATLABMATLAB提供的工具箱和软件包，用户可以完成诸如系统提供的工具箱和软件包，用户可以完成诸如系统辨识、系统建模、仿真以及模

39、糊控制等系统设计的任务，既方辨识、系统建模、仿真以及模糊控制等系统设计的任务，既方便又直观形象。便又直观形象。pSIMULINKSIMULINK是是MATLABMATLAB环境下的模拟工具，可以用来数学建模、环境下的模拟工具，可以用来数学建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统、离散系分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统、离散系统。统。p有关有关MATLABMATLAB和和SIMUKINKSIMUKINK的知识在后续章节作专门的讨论。的知识在后续章节作专门的讨论。绪论绪论 48第第1章章1.3.2 1.3.2 系统仿真的分类系统仿真的分类1. 1. 按仿真模型的种类分类按

40、仿真模型的种类分类（1 1）物理物理仿真仿真采用物理模型，有实物介入，实时在线。采用物理模型，有实物介入，实时在线。（2 2）数学数学仿真仿真采用数学模型，计算机，非实时离线。采用数学模型，计算机，非实时离线。（3 3）数学）数学物理仿真物理仿真两者结合两者结合 2.2.按仿真模型与实际系统的时间关系划分按仿真模型与实际系统的时间关系划分 （1 1）实时仿真）实时仿真（2 2）超实时仿真）超实时仿真（3 3）慢实时仿真）慢实时仿真3.3.按系统随时间变化的状态分类按系统随时间变化的状态分类 （1 1）连续系统连续系统仿真仿真（2 2）离散事件离散事件系统仿真系统仿真 绪论绪论 49第第1章章1

41、.4 1.4 计算机仿真的特点及其应用计算机仿真的特点及其应用1.4.1 1.4.1 计算机仿真的特点计算机仿真的特点1.1.模拟计算机仿真模拟计算机仿真 模拟计算机是一种以模拟计算机是一种以运算放大器运算放大器为基本部件，可进行积分、为基本部件，可进行积分、微分、求和等运算，适用于以微分方程描述的仿真系统。微分、求和等运算，适用于以微分方程描述的仿真系统。优点优点：采用并行运算，速度快，输出为连续量，易于与实：采用并行运算，速度快，输出为连续量，易于与实物连接，比较接近实际的控制系统；物连接，比较接近实际的控制系统；缺点缺点：计算精度比较低，复杂系统仿真线路实现难度较大，：计算精度比较低，复

42、杂系统仿真线路实现难度较大，自动化程度低，价格昂贵，一般较少采用。自动化程度低，价格昂贵，一般较少采用。 绪论绪论 50第第1章章2. 2. 数字计算机仿真数字计算机仿真 由于数字计算机硬、软件技术的迅速发展，功能不断增强，由于数字计算机硬、软件技术的迅速发展，功能不断增强，所以采用数字计算机仿真得到了广泛的应用。所以采用数字计算机仿真得到了广泛的应用。优点优点：仿真计算精度高，使用方便，修改参数容易，采用：仿真计算精度高，使用方便，修改参数容易，采用程序控制，自动化程度高；程序控制，自动化程度高；缺点缺点：仿真速度较慢，对反应较快的系统进行实时仿真有：仿真速度较慢，对反应较快的系统进行实时仿

43、真有一定困难。一定困难。3. 3. 混合计算机仿真混合计算机仿真 该方式将模拟计算机和数字计算机有机地该方式将模拟计算机和数字计算机有机地结合结合起来，在对起来，在对控制系统进行参数寻优、统计分析等反复迭代运算，以及要求与控制系统进行参数寻优、统计分析等反复迭代运算，以及要求与实物结合连续进行实时仿真实物结合连续进行实时仿真、同时又有一些、同时又有一些复杂的函数需要计算复杂的函数需要计算的场合中有着明显的优势。的场合中有着明显的优势。绪论绪论 51 4.4.微型计算机阵列仿真微型计算机阵列仿真 由于微型计算机的迅速发展，仿真语言及仿真软件包的不由于微型计算机的迅速发展，仿真语言及仿真软件包的不

44、断完善，采用断完善，采用多台微型计算机多台微型计算机构成构成全数字式仿真系统全数字式仿真系统，这就是，这就是微型计算机阵列仿真。它可以进一步提高仿真的功能和自动化微型计算机阵列仿真。它可以进一步提高仿真的功能和自动化程度，也为集散控制系统仿真打下良好的基础。程度，也为集散控制系统仿真打下良好的基础。第第1章章绪论绪论 521.4.2 1.4.2 计算机仿真软件计算机仿真软件一、一、仿真软件的发展仿真软件的发展四个阶段四个阶段（1 1）程序编制程序编制，初级阶段，高级语言编写（数学求解），仿真，初级阶段，高级语言编写（数学求解），仿真效率低，难以广泛应用。效率低，难以广泛应用。（2 2）程序软件

45、包程序软件包，数值计算组成，数值计算组成“应用子程序应用子程序”，便于调用，便于调用，为仿真奠定基础；但使用不便，调用繁琐，专业性强，可信度为仿真奠定基础；但使用不便，调用繁琐，专业性强，可信度低。低。（3 3）交互式语言交互式语言，仿真语言可用一条指令实现，仿真语言可用一条指令实现“系统特征值求系统特征值求取取”，不必考虑用什么算法以及如何实现等低级问题。，不必考虑用什么算法以及如何实现等低级问题。（4 4）模型化图形组态模型化图形组态，基于模型的图形化描述方法，基于模型的图形化描述方法，MATLABMATLAB( (美国美国Math WorkMath Work公司的软件产品公司的软件产品)

46、 ),SIMULINK,SIMULINK。第第1章章绪论绪论 531.4.3 1.4.3 仿真技术的应用与发展仿真技术的应用与发展一、一、仿真技术在工程中的应用仿真技术在工程中的应用（1 1）航空与航天工业航空与航天工业，系统庞杂、造价高昂等因素促成了其必，系统庞杂、造价高昂等因素促成了其必须建立起完备的仿真实验体系；须建立起完备的仿真实验体系； 美国美国19581958年四次发射全部失败，年四次发射全部失败，19591959年年成功率成功率57%57%，美国宇航局逐步建，美国宇航局逐步建立了一整套仿真实验体系，立了一整套仿真实验体系，6060年代年代成功率达成功率达79%79%，7070年年

47、达达91%91%，近期已很少有，近期已很少有不成功的情况；不成功的情况； 目前，许多国家航空与航天工业相继建立了大型仿真实验机构，形成了目前，许多国家航空与航天工业相继建立了大型仿真实验机构，形成了三级仿真实验体系三级仿真实验体系，保证飞行器从设计到定型生产过程的经济性与安全性。，保证飞行器从设计到定型生产过程的经济性与安全性。 飞行员及宇航员飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器训练用飞行仿真模拟器方面相继研制出多种产品。方面相继研制出多种产品。第第1章章绪论绪论 54（2 2）电力工业电力工业，最早采用仿真技术的领域之一，电力系统，最早采用仿真技术的领域之一，电力系统负荷负荷分配、瞬态稳定性以

48、及最优潮流分配、瞬态稳定性以及最优潮流等方面，国内较早地采用了数等方面，国内较早地采用了数字仿真技术，取得显著的经济效益。字仿真技术，取得显著的经济效益。 近年来，国内在电站操作人员近年来，国内在电站操作人员培训模拟系统培训模拟系统的研制上，达的研制上，达到国际先进水平，为仿真技术的应用开辟了广阔的前景。到国际先进水平，为仿真技术的应用开辟了广阔的前景。（3 3）原子能工业原子能工业，原子能利用越来越广泛，原子能电站运行的，原子能利用越来越广泛，原子能电站运行的稳定性、安全性与可靠性稳定性、安全性与可靠性等问题成为必须解决的首要问题；核等问题成为必须解决的首要问题；核电站都有相应的仿真系统，许

49、多电站都有相应的仿真系统，许多仿真器是全尺寸仿真器是全尺寸的，即仿真系的，即仿真系统与真实系统是完全一致的，只是对象部分如：统与真实系统是完全一致的，只是对象部分如：反应堆、涡轮反应堆、涡轮发电机发电机及有关的动力装置则是用及有关的动力装置则是用计算机来模拟计算机来模拟的。的。第第1章章绪论绪论 55（4 4）石油、化工及冶金工业石油、化工及冶金工业，石油、化工生产过程中有一个显著特点，石油、化工生产过程中有一个显著特点就是就是过程缓慢过程缓慢，而且往往过程控制、生产管理、生产计划、经济核算等搅在，而且往往过程控制、生产管理、生产计划、经济核算等搅在一起，使综合效益指标难以一起，使综合效益指标

50、难以预测与控制预测与控制；仿真实验成为石油、化工及冶金系；仿真实验成为石油、化工及冶金系统设计与分析研究的统设计与分析研究的基本手段基本手段，对这些领域的技术进步也不同程度地起到了，对这些领域的技术进步也不同程度地起到了促进作用。促进作用。（5 5）非工程领域非工程领域，医学医学，病变模型建立、治疗方案寻优、化疗与电疗强，病变模型建立、治疗方案寻优、化疗与电疗强度选择以及最佳照射条件等，为医生提供参考依据；度选择以及最佳照射条件等，为医生提供参考依据； 社会学社会学，人口增长、环境污染、能源消耗以及病情防疫等，利用仿真，人口增长、环境污染、能源消耗以及病情防疫等，利用仿真技术有效解决预测与控制

51、问题。技术有效解决预测与控制问题。 宏观经济与商业策略宏观经济与商业策略的研究，金融、证卷、期货以及国家宏观经济调的研究，金融、证卷、期货以及国家宏观经济调整等方面，数字仿真技术成为不可缺少的有力工具。整等方面，数字仿真技术成为不可缺少的有力工具。第第1章章绪论绪论 56二、应用二、应用仿真技术的重要意义仿真技术的重要意义（1 1）仿真技术的优点）仿真技术的优点u经济经济，对于大型复杂系统，直接实验的，对于大型复杂系统，直接实验的费用往往十分昂贵费用往往十分昂贵，如：空间飞行器一次飞行实验的成本在如：空间飞行器一次飞行实验的成本在10108 8美元左右，采用仿真美元左右，采用仿真实验仅需其成本

52、的实验仅需其成本的1/101/101/51/5，而，而设备可以重复使用设备可以重复使用。u安全安全，对某些系统（载人飞行器、核电装置等），直接实验，对某些系统（载人飞行器、核电装置等），直接实验往往往往存在很大危险存在很大危险，甚至不允许，采用仿真实验可以，甚至不允许，采用仿真实验可以有效降低有效降低危险程度，对系统研究起到保障作用。危险程度，对系统研究起到保障作用。u快捷快捷，在系统分析与设计、产品前期开放以及新理论的检验，在系统分析与设计、产品前期开放以及新理论的检验等方面，采用仿真技术可使等方面，采用仿真技术可使工作进程大大加快工作进程大大加快，如：服装设计。，如：服装设计。第第1章章绪论绪论 57（2 2）仿真技术的特殊功能）