控制系统仿真第一章

前言是一种模仿行为。仿真：仿真：通过有效模型对真实或设想的系统进行动态

实验研究的综合性模拟试验。仿真实际的系统。模仿仿真技术：以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，综合集成计算机、

自动控制、网络、图形图像、多媒体、软件工程信息处理等众多领域的一门实验技术。建立在模型基础上的实验技术。仿真技术：仿真技术：起源于军事领域，用于对实弹打靶的模拟仿真，以减少多次实弹打靶的费用。航天、航空、兵器、船舶、水利水电电子、通讯、机械、天文、经济领域、信息领域仿真技术的发展：以强劲的有效需求为牵引以强大的经费支持做后盾航天、航空、兵器、船舶等部门的多个研究所都有不同规格、不同用途的仿真实验室。第一章绪论1.1基本概念1.2仿真的分类1.3仿真的优点及应用1.4仿真的发展1.5教学准备及安排1.1基本概念一、控制系统1.图示由被控对象及使被控对象按人的意愿运行的控制器组成的闭合回路。广义被控对象2.组成广义控制器包括三部分a.计算装置模拟式----运放搭成的模拟控制器数字式----计算机b.作动器电、液、气、热装置等c.测量反馈装置测速，测位，测温3.特点：控制系统是实体的集合。

控制系统具有目的性：完成特定功能：液位、位置、速度、温度满足性能指标：控制精度、超调、振荡次数控制系统设计：确定控制器的类型、结构、参数。这是一个设计、验证、再设计、再验证的反复过程。验证：仿真验证、实验验证。常用模型列于下表：连续系统离散系统微分方程差分方程x(k+1)=g(x(k),u(k),k)传递函数G(s)脉冲传递函数K(z)状态方程A,B,C,D离散状态方程A(k),B(k),C(k),D(k)二、控制系统的数学模型是控制系统某种特定性能的一种抽象形式。例如：电机的调速特性：n=Km*v电机的速度响应：k/（Ts+1）静态特性动态特性机电时间常数电磁时间常数输入输出的数量对应关系过渡过程：输出与时间的关系k/（T’s2+Ts+1）三、控制系统建模1.建模方法建模是仿真的基础。分析法：运用已知的定理、定律推导计算。实验法：将系统视为黑箱，加入激励信号，测量其输出。综合法：将分析法与实验法相结合。用分析法确定模型结构，用实验法确定参数。2.建模要求相似：动态过程相似精确：模型中的数据要正确反映控制系统中的定量关系。相关：模型只保留与研究目的相关的部分，合理简化。（1）数学模型的正确与否和精确度程度直接影响到仿真的置信度。（2）数学模型的建立必须针对特定的应用领域和预期的使用目的。同一客观事物的描述可以建立不同形式和不同精度的数学模型。直流电动机建模：分析法简化+JL直流电动机建模：分析法电枢回路方程反电势转动轴上的力矩方程输入-输出频谱分析伺服系统建模：综合法模型拟合四、控制系统仿真对控制系统的模型进行实验研究仿真过程： 主要包括以下几个阶段：问题描述，系统模型建立，模型转换，模型校核、验证和确认，实验方案制定，仿真实验、结果分析。1.2仿真的分类数学仿真：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，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。数学仿真优点：方便、灵活、经济数学仿真缺点：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。1.根据模型的物理属性分类functiondotx=func4(t,x)a=[010;001;-22.06-27-10];b=[0;0;40.6];dotx=a*x+b;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。物理仿真的缺点：模型改变困难，实验限制多，投资较大。物理仿真的优点：直观、形象，也称为“模拟”。飞机的风洞试验汽车碰撞试验……半物理仿真：将数学模型与物理模型或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部分，或希望考察其性能的部件，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。是目前应用最广的一种仿真模式。被试件（实物）被试件（实物）仿真设备：模拟姿态运动（三轴转台）主仿真机：数学模型某型飞机半物理仿真框图被试件（实物）仿真设备：模拟姿态运动（三轴转台）主仿真机：数学模型仿真设备：模拟无线电特性某型导弹半物理仿真框图某型导弹半物理仿真框图被试件（实物）仿真设备：模拟姿态运动（三轴转台）主仿真机：数学模型模拟计算机仿真这是50－60年代普遍采用的仿真设备。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计算机仿真。2.根据仿真计算机类型分类模拟机仿真是一种并行仿真，仿真时，代表模型的各部件是并发执行的。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。

数字模拟混合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。数字计算机仿真则是一种串行仿真，因为计算机只有一个中央处理器（CPU），计算机指令只能逐条执行。数字计算机仿真在计算机网络上进行的仿真。目前发展非常迅速，应用十分广泛。网络仿真分布交互仿真；网络游戏……实时仿真仿真时钟与实际时钟完全一致，模型仿真的速度与实际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。故物理仿真和半物理仿真均为实时仿真。3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类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。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。亚实时仿真（欠实时仿真）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。超实时仿真连续系统仿真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；分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述。4.根据系统模型的特性分类离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴。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，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。离散事件系统是指在某些随机时间点上系统状态发生离散变化的系统。例如：排队系统、库存系统。离散事件系统仿真与连续系统的主要区别1.3仿真的优点及应用一、优点1.安全可靠，无破坏性/破坏性可控2.经济效益好3.缩短研制周期4.可多次重复二、应用/目的在控制系统设计的整个过程中，仿真技术都得到应用。方案论证阶段数学仿真简化的数学模型确定总体方案设计阶段数学仿真为主物理仿真为辅精确的数学模型元部件为实物确定元部件及控制策略样机验证阶段物理仿真为主数学仿真为辅控制器为实物精确的数学模型优化控制参数，完善系统性能及功能使用阶段物理仿真为主数学仿真为辅控制器/元部件为实物精确的数学模型故障分析；系统改进美国三种典型导弹研制过程中仿真技术的作用计划发射（枚）实际发设（枚）节省导弹（枚）节省费用（千万美元）爱国者141101408．0罗兰特224951294．2尾刺185114712．5节省研制费用10%-40%，缩短研制周期30%-40%。型号研制周期靶试发数AIM-9D1960-1964129AIM-9L1972-197569AIM-9M1978-198135美国响尾蛇导弹靶试情况1.4仿真的发展一、发展过程2.混合仿真时期：为满足实时仿真的要求，用接口将数字机与模拟机连接，形成混合计算机。其中，数字机---高精度的慢变过程；模拟机—低精度的快变过程。1.模拟仿真时期：采用模拟计算机40年代末—专用模拟机；50年代初—通用模拟机。3.数字仿真时期

计算机技术发展----〉硬件数值算法发展------〉理论仿真语言发展-----〉软件4.现代仿真技术时期

仿真可视化仿真过程智能化

仿真发展过程智能仿真云仿真/云计算21世纪二、发展趋势2.仿真集成环境技术方向：数