第1章概述2014.2.20.

1、第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述基于基于Matlab语言控制系统仿真语言控制系统仿真 主讲：李静主讲：李电与自动化学院自动化教研室机电与自动化学院自动化教研室第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述课程任务课程任务 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行的MATLAB语言的基本知识，结合所学课程语言的基本知识，结合所学课程自动控制原理自动控制原理，学会运用学会运用MATLAB语言进行语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能控制系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从，为今后从事专业相关方面的工作和研究打下较好的基础。事专业相关

2、方面的工作和研究打下较好的基础。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述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（其中（其中上机学时上机学时18）考试方式：上机操作考试方式：上机操作+考试考试第第1章章 计算机辅助设计和仿真技术概述计算机辅助设计和仿真技术概述第第2章章 MATLAB简介简介第第3章章 控制系统的数学模型控制系统的数学模型第第4章章 控制系统的分析方法（控制系统的分析方法（simulink简介简介）教学内容教学内容第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述教材及参考书目教材及参考书目&教材：教材： 控制系统控制系统CAD-基于基于MATLAB语言语言 机械机械工业

3、出版社，工业出版社，2010年，张晋格，陈丽兰年，张晋格，陈丽兰v反馈控制系统设计与分析反馈控制系统设计与分析 MATLAB语言应用语言应用清华大学出版社，清华大学出版社，2000年，薛定宇年，薛定宇v基于基于MATLAB的系统分析与设计的系统分析与设计控制系统控制系统，西安电子科技大学出版社，西安电子科技大学出版社，2009年，楼顺天年，楼顺天v控制系统控制系统MATLAB计算及仿真计算及仿真 国防工业出版社，国防工业出版社，2010年，黄忠霖年，黄忠霖第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述第第1 1章章 计算机辅助设计和仿真技术概述计算机辅助设计和仿真技术概述1.1 计算机仿真和辅助设计的基

4、本概念计算机仿真和辅助设计的基本概念1.1.1计算机辅助设计与仿真的概念计算机辅助设计与仿真的概念1）计算机辅助设计的概念）计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。提高设计质量的技术。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述说明：计算机辅助设计

5、从广义上来讲它包含了计说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。到的不便与繁琐。2）计算机仿真的概念）计算机仿真的概念v仿真仿真的定义的定义仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来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过程，以寻求对真实过程的认识。类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是它所遵循的基本原则是相似性原理。相似性原理。v计算机仿真计算机仿真的定义的定义计算机仿真是基

6、于所建立的系统仿真模型，利计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。用计算机对系统进行分析与研究的方法。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1）模型的定义）模型的定义 模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形模型是对现实系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。象，是人们认识事物的一种手段或工具。2）模型的分类）模型的分类（1）物理模型）物理模型指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的

7、飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）数学模型）数学模型是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。来再现原型的功能或结构特征。1.1.3 1.1.3 计算机仿真模型计算机仿真模型第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述（3 3）仿真模型）仿真模型( (描述模型描述模型) )指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。计算机可以实施的模型。1.1.4 计算机仿真的三要素及基本步骤（内容）计算机仿真的三要素及基本步骤（内容）1）

8、三要素）三要素（1 1）系统系统：研究的对象：研究的对象（2 2）模型模型：系统的抽象：系统的抽象（3 3）计算机计算机：工具与手段：工具与手段第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述仿真实验仿真实验建立数学模型建立数学模型建立仿真模型建立仿真模型系统系统模型模型计算机计算机第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述2 2）基本步骤）基本步骤包括三个基本的内容：包括三个基本的内容：建模建模仿真实验仿真实验结果分析结果分析第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1.2仿真的分类仿真的分类1.2.1按模型分类按模型分类v物理仿真物理仿真：采用物理模型，有实物介入！：采用物理模型，有实物介入！具有效果逼真，精度高

9、等优点，但造价高或耗时长，具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长，大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具有实时性、在线的特点。等），具有实时性、在线的特点。v数学仿真数学仿真：采用数学模型：采用数学模型在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。济、快速、实用。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1.2.2 按计算机类型分类按计算机类型分类v模拟仿真模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机

10、上进行的：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。（实验研究。（50年代）年代）描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较困难，自动化程度低。统的仿真较困难，自动化程度低。模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的的“模拟运算放大器模拟运算放大器”为主要部件所构成。为主要部件所构成。v数字仿真数字仿真：采用数学模型，在数字计算

11、机上借助于：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。（数值计算方法所进行的仿真实验。（60年代）年代）第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述v混合仿真混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。：结合了模拟仿真与数字仿真。v现代计算机仿真现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于：采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。（功能强大，使用方便，易学。（80年代以来）年代以来）第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1.3 1.3 仿真技术的应用与发展仿真技术的应用与发展1.3.1 仿真技术在

12、工程中的应用仿真技术在工程中的应用1）航空与航天工业）航空与航天工业飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器等。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器等。2）电力工业）电力工业电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制等。稳定性以及最优潮流控制等。电站操作人员培训模拟系统。电站操作人员培训模拟系统。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述神州飞船模拟训练仓第1章 计算机辅助设

13、计与仿真技术概述模拟飞船监控室第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述大型火力发电厂第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述火电仿真机第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述火电仿真机第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述火电仿真机第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述火电仿真机第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述3 3）原子能工业）原子能工业模拟核反应堆模拟核反应堆核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。障的排除处理。4 4）石油、化工及冶金工业）石油、化工及冶金工业5 5）非工程领域）非工程领域医学医学社会学社会学宏观经济与商业策略的研究宏观经济与

14、商业策略的研究第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述建模仿真技术已作为人们认识、改造客观世界的建模仿真技术已作为人们认识、改造客观世界的重要手段，广泛地应用于各行各业。重要手段，广泛地应用于各行各业。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述虚拟样机开发平台虚拟样机开发平台Virtual prototype development platform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第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述虚拟场景虚拟场景 Virtual Environment 第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1.3.2 1.3.2 应用仿真技术的意义应用仿真技术的意义

15、1 1）经济）经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在飞行器的一次飞行实验的成本约在1 1亿美元左右，而亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的采用仿真实验仅需其成本的1/101/51/101/5，而且设备可，而且设备可以重复使用。以重复使用。2 2）安全）安全某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的

16、研究起到保障作用。到保障作用。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述3 3）快捷）快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4 4）具有优化设计和预测的特殊功能）具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。功能。在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿

17、真技术的应用可以获得对系统的能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。某种超前认识。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1.3.3 1.3.3 仿真技术的发展趋势仿真技术的发展趋势1）硬件方面）硬件方面：基于多：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真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将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。时性。2）应用软件方面）应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使

18、得在人机界面、结果输出、用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。综合评判等方面达到更理想的境界。3）分布式数字仿真）分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。投资少，效果好。4）虚拟现实技术）虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技：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，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。使人置身于真实环境之中。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述1.4计算机仿真软件计算机仿真软件1.4.1 1.4.1 仿真软件的

19、发展仿真软件的发展1 1）程序编程阶段）程序编程阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）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（如都是用高级算法语言（如C C、FORTRANFORTRAN等）来编写。等）来编写。2 2）程序软件包阶段）程序软件包阶段出现了出现了“应用子程序库应用子程序库”。3 3）交互式语言阶段（仿真语言）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，如仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特系统特征值的求解征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。如何实现等低级问题。第1章 计算机辅助设计与仿真技术概述4）模型化图形组态阶段）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。符合设计人员对基于模型图形化的描述。1.4.2 几种仿真软件几种仿真软件1）PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。适合于元件级仿真。2）SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件：系统级的电路动态仿真软件3）MATLAB：具有强大的数值计算能