控制系统仿真概述

1、控制系统仿真 -基于MATLAB语言2022/8/281课程、实验安排，讲义内容和课程要求。教材、参考文献2自动控制理论，夏德琎，机械工业出版社，2004（第二版）控制工程基础，孙志毅，机械工业出版社，2004（第一版）精通MATLAB，王正林，电子工业出版社，2006（第一版）基于MATLAB的控制系统仿真，翟亮，清华大学出版社，2006（第一版）编程基础与典型应用，刘会灯，人民邮电出版社，2008MATLAB/Simulink与控制系统仿真，王正林等，电子工业出版社,2008（第2版）由于控制系统仿真是一个发展中的研究方向，目前还没有像我们所学过的自动控制原理、现代控制理论这些经典的控制理

2、论一样形成完整的体系结构，目前也没有一本公认的经典教材。所以在讲授这门课程的时候，我需要从其他的参考书中借鉴某些内容，并不完全按照教材来讲授。主要参考书目包括： 1 控制系统仿真概述31 控制系统仿真概述本章的主要内容首先，讲述控制系统仿真的发展状况及应用前景。其次，详细讲述控制系统的分类及仿真系统的应用。主要包括控制系统的分类、主要特征，相关概念和理论。最后，通过具体的事例讲解研究仿真技术和控制系统仿真方法的重要意义。411控制系统仿真概述1.概要1.1系统仿真的发展状况及应用前景511控制系统仿真概述仿真系统的应用及举例随着仿真技术的发展，仿真技术的应用趋于多样化、全面化。最初仿真技术是作

3、为对实际系统进行实验的辅助工具而应用的，而后又由于训练的目的。现在仿真系统的应用主要包括：系统概念研究、系统的可行性研究、系统的设计和分析、系统开发、系统测试与评估、系统操作人员的培训、系统预测、系统的使用和维护等方面。它的应用已经发展到与国民经济相关的各个重要领域。611控制系统仿真概述1）研究领域如：分子动力学研究，机器人研究，机器人的控制2 ）军事领域武器装备的研制：仿真技术在武器装备研制过程中，使得在武器研制计划开始前，能够充分利用仿真系统验证武器系统的设计方案和技术性能的合理性。军事训练：分布式仿真系统通过网络技术将分散在各地的人、仿真器、及系统生成的兵力及计算机等设备联合成为一个整

4、体，形成一个可以在时间和空间上相互耦合的虚拟战场合成环境。参与者可以自由的交互使用。使过去主要依靠野战完成的任务可以用虚拟的环境得以重复、多次、不同环境的进行演练。大大节省了资源。仿真系统的应用及举例BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB0CCnCnCnCnCnCnCnCn711控制系统仿真概述3）工业领域由于工业系统的复杂性、大型化和仿真系统及技术的安全性、经济性，仿真技术广泛应用于工业领域的各个部门。在大型复杂工程系统建设前的概念研究、系统的需求分析等过程中，仿真技术都发挥着越来越重要的作用。如电站仿真系统，随着单元发电机组容量越来越大，系统越来越复杂，对它的安全生产和经济

5、运行都提出了更高的要求。通过仿真系统可以优化运行过程，培训操作人员，保证安全运行。又如在生产经营方面，如何在短时间内，以最经济的手段开发出用户能够接受的产品，已成为今天市场竞争的焦点。仿真系统的应用及举例811控制系统仿真概述4）交通，医学等领域我国研制了能够表述交通流特征和交通流质量的交通仿真软件平台。通过该系统可以对交通规划、交通控制设计、交通工程建设方案等进行评估。仿真系统的应用及举例9具有5路超声波传感器的两轮差动机器人小车的智能避障。 10使用s-function建立了五路超声波传感器的模型 移动机器人模糊避障系统组成 11建立超声导航移动机器人运动模型 移动机器人模糊推理系统 12

6、超声波传感器信息融合技术建立的机器人模糊避障系统模型 1311控制系统仿真概述1.概要1.2系统的概念及分类14根据系统的数学类型分类：1）线性系统：系统中各元件的特性为直线（线性），可以采用叠加原理。其数学模型可以表示为线性为微分方程式。2）非线性系统：系统中包含非线性特征。如：饱和、继电、摩擦等，此类系统的特性与线性系统有着本质的差别。常采用非线性函数描述系统。根据系统中信号的变化规律（时间特征）分类：1）线性连续系统：系统的状态随时间线性连续地变化。2）采样系统：(离散系统)系统中存在脉冲序列或数码信号，其数学模型采用差分方程来描述。3）离散事件系统：系统的状态变化仅在离散时刻发生，具有

7、较强的随机性。通常采用流程图或网络图来表征系统模型。如：订票系统，库存管理，交通控制系统等。1.2系统的概念及分类151.2系统的概念及分类根据系统的复杂程度分类：1）简单系统：系统只有一个外部输入和输出信号，也称为单输入单输出系统。2）复杂系统：系统信号多，回路多是一种多变量系统。多输入，多输出系统。如：大气环境监测系统，冶炼厂的化学反应控制，飞行器的状态控制等。其共同特征：1）实体：组成系统的对象（元素）。2）属性：组成实体的特征。3）活动：系统由某一状态到另一状态的变化过程。4）状态：某一时刻系统的实体、属性、活动的信息总和。称之为系统在该时刻的状态。1611控制系统仿真概述1.概要1.

8、3具体事例和系统仿真的意义仿真技术具有安全、快捷和可以实现某些特殊要求优点。借助于仿真技术可以采用各种最优化原理和方法，是设计结果达到某种最优，实现系统的优化设计。1712系统、模型与仿真1.模型的概念及分类系统模型是对系统属性和变化规律的一种定量抽象，是对系统本质的描述，是人们认识事物（系统）的一种方法和手段。模型可以描述系统的本质和内在联系，通过对模型的分析和研究，达到了解原系统的目的。将试验在系统模型上进行的主要理由：1）系统处于设计阶段，需要在真实系统建立之前进行尝试性试验。2）降低在真实系统上试验的风险，缩短试验时间和增加经济效益。3）可以进行多次重复试验。一些有破坏性的或异常情况下

9、的试验，获取在真实系统上很难得到的异常数据。1812系统、模型与仿真1.模型的概念及分类模型的表达形式分为物理模型、数学模型、描述模型。物理模型：是被描述对象的物理再现，其抽象级别最低。1）实物模型：根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物。如：风洞实验中的飞机模型，水利系统中的船舶模型等。所谓相似是指各类事物或对象间存在的某些共性。相似性是客观世界的一种普遍现象，反映了客观世界不同事物间存在的共同规律。例如：电路中的RLC振荡和机械中的弹簧振动都可以用相同的微分方程描述。1912系统、模型与仿真2.系统、模型、仿真3者之间的关系系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型进行实

10、验以达到研究系统的目的。系统仿真包括了3个要素：系统、模型、计算机。联系这3要素的基本活动是：系统建模、仿真建模和仿真实验。系统模型计算机仿真实验系统建模仿真建模2012系统、模型与仿真2.系统、模型、仿真3者之间的关系系统仿真的概念是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术、计算机基础等技术之上的，以计算机和其他专用物理设备为工具，利用模型对真实的或假想的系统进行实验，并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性、试验性学科。2113仿真技术与软件1.仿真技术的发展和仿真技术的相关概念50-60年代：工程系统（连续系统），建模采用以时间为基准的确定型

11、数学模型，微分差分方程70年代-：非工程系统（离散系统），能够反映离散和随机问题的数学模型70年代中期：其格勒提出了模型的规范化和形式化描述理论，模型理论中引入了层次化建模和面向对象建模80年代-： 神经网络建模和定性建模等2213仿真技术与软件1.仿真技术的发展和仿真技术的相关概念仿真软件的发展：随着硬件的发展，仿真软件也有了很大发展。仿真软件吸收了仿真方法学，网络，图形/图像，多媒体，软件工程，自动控制，人工智能等技术成果得到了很大发展。仿真软件也从初期的机器代码，经历较高级的编程语言，面向问题描述的仿真语言，发展到面向对象编程，图形化模块编程等。人机环境也由初期的图形支持，到动画，交互式

12、仿真，进一步发展到矢量的图形支持，并向虚拟实现发展。2313仿真技术与软件1.仿真技术的发展和仿真技术的相关概念仿真软件的发展：经历了5个阶段1）通用程序设计语言 如早期的FORTRAN，具有适应并行处理功能的Ada2）初级仿真语言阶段 面向框图的M1DAS，基于离散事件的SIMLIB等3）高级仿真语言阶段 80年代商用的连续系统仿真语言SSLIV,ACSL，离散事件系统仿真CPSSIV4）一体化建模和仿真环境软件5）智能化仿真软件环境2413仿真技术与软件2.仿真的概念仿真是以相似性原理、控制理论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进

13、行试验研究的一门综合技术。它利用物理或数学方法建立模型类比模拟现实过程或建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。2513仿真技术与软件2.仿真的概念仿真的分类根据不同的分类标准，可以将系统仿真分为几类1）物理仿真研制一些实体模型，使之能够重现原系统的各种状态。2）数学仿真用数学语言表达系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究。3）混合仿真为了提高数学仿真的可信度或针对难以建模的系统多采取物理模型、数学模型和实体相结合组成较复杂的仿真系统。2613仿真技术与软件3.仿真的基本步骤系统建模仿真建模程序设计试验结果分析2713仿真技术与软件3.仿真的

14、基本步骤1. 建立系统的数学模型：通常根据系统试验知识、仿真的目的和相关资料的分析来确定数学模型的框架、结构和参数。确保模型的有效性和仿真的经济性。一些简单系统可以通过基本定律如牛顿定律、热力学定律等来建立数学模型。而对大部分系统，由于系统的复杂性，难以写出用数学表达式描述的数学模型，必须利用实验的方法获得实验数据，通过系统辨识等技术建立数学模型。数学模型的建立是系统仿真的研究依据，其建立的准确性是十分重要的。2813仿真技术与软件2. 建立仿真模型：一般的数学模型都不能直接编制程序用计算机求解，通常必须把数学模型转换成适宜编程并能在计算机上运行的模型-仿真模型。需要通过一定的算法对原系统的数学模型进行处理。（如离散化处理等）3. 建立仿真环境：将仿真用计算机程序来描述，程序中包括了仿真试验的要求，如仿真的运行参数、控制参数和输出要求等。4. 进行仿真试验：调试仿真环境、验证模型、分析实验结果，确定实验方案，根据实验