计算机控制与仿真技术(第二版)-控制与仿真的一般知识

计算机控制与仿真技术(第二版)-控制与仿真的一般知识目录CONTENCT绪论控制系统的基本概念仿真技术的基本概念控制与仿真的数学模型控制与仿真的数值计算方法控制与仿真的应用实例01绪论定义意义计算机控制与仿真技术的定义与意义计算机控制与仿真技术是研究如何利用计算机对实际系统或它的模型和本质进行一系列试验、分析、研究的技术。计算机控制与仿真技术已经成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具，可以大大缩短系统开发周期，降低开发成本，提高系统质量。80%80%100%计算机控制与仿真技术的发展历程以模拟计算机为主，主要用于军事领域的仿真研究。随着数字计算机的出现和发展，计算机仿真技术开始应用于航空航天、能源、化工等领域。计算机仿真技术已经成为一个独立的学科领域，广泛应用于各个行业和领域。早期阶段中期阶段现阶段01020304系统建模仿真算法仿真软件仿真应用计算机控制与仿真技术的研究内容开发用于计算机仿真的专用软件，提供友好的用户界面和强大的仿真功能。研究如何高效、准确地模拟系统的行为和性能。建立实际系统或它的模型和本质，是计算机仿真技术的核心和基础。将计算机仿真技术应用于实际系统的分析、设计、运行和评价中。02控制系统的基本概念控制系统的定义与组成控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。定义控制系统主要由控制器、被控对象、执行机构和变送器四个环节组成。其中，控制器根据设定的目标值和反馈信号产生控制信号；被控对象是系统的输出部分，其状态或行为受到控制信号的影响；执行机构根据控制信号对被控对象实施控制；变送器则将被控对象的输出信号转换为适合控制器处理的信号。组成分类整体性动态性反馈性目标性特点根据控制信号的性质，控制系统可分为连续控制系统和离散控制系统；根据系统结构特点，可分为开环控制系统和闭环控制系统；根据控制策略的不同，可分为经典控制理论和现代控制理论。控制系统具有以下特点控制系统的设计和运行都有明确的目标，即实现对被控对象的有效控制。控制系统是一个整体，各个环节之间相互联系、相互作用，共同实现系统目标。控制系统的状态和行为是随时间变化的，具有动态特性。控制系统通过反馈机制实现闭环控制，提高系统性能。控制系统的分类与特点稳定性快速性准确性鲁棒性控制系统的性能指标稳定性是控制系统最重要的性能指标之一，它反映了系统在受到扰动后能否恢复到平衡状态的能力。快速性是指系统对输入信号响应的速度，即系统从初始状态到达目标状态所需的时间。准确性是指系统输出与设定目标值之间的误差大小，误差越小，准确性越高。鲁棒性是指系统在参数摄动或外部扰动下保持性能稳定的能力。03仿真技术的基本概念VS仿真是指利用模型对实际系统或它的本质和本质的一系列动态行为进行研究。根据模型获取系统或它的本质和本质的一系列动态信息，包括系统的或它的本质和本质的一系列动态结构与行为。仿真分类仿真可分为物理仿真、数学仿真和半实物仿真。物理仿真基于物理效应和物理模型进行仿真；数学仿真基于数学模型进行仿真；半实物仿真则是将物理模型和数学模型结合起来进行仿真。仿真定义仿真的定义与分类早期阶段发展阶段成熟阶段仿真技术的发展历程随着计算机技术的发展，仿真技术逐渐应用于民用领域，如航空航天、能源、交通等。目前，仿真技术已经成为一门独立的学科，并在各个领域得到广泛应用。早期的仿真技术主要应用于军事领域，如飞机、导弹等武器的研制和试验。系统建模研究用于仿真的各种算法，包括数值积分、优化算法等。仿真算法仿真软件仿真验证与评估01020403对仿真结果进行验证和评估，确保仿真的准确性和可信度。建立被仿真对象的数学模型，描述系统的结构和行为。开发用于仿真的专用软件，提供友好的用户界面和强大的功能。仿真技术的研究内容04控制与仿真的数学模型数学模型的定义与作用定义数学模型是描述客观事物本质特征及其内在联系的一种抽象表达形式，它可以是数学公式、算法、逻辑表达式等。作用数学模型在控制与仿真中扮演着至关重要的角色。它不仅可以用来描述系统的动态行为，还可以用来预测系统的未来状态，以及设计和优化控制器。传递函数模型传递函数是描述线性定常控制系统动态特性的数学模型，它反映了系统输入与输出之间的关系。状态空间模型状态空间模型是描述控制系统动态行为的另一种数学模型，它通过状态变量来描述系统的内部状态，并反映输入与输出之间的关系。非线性模型对于非线性控制系统，需要采用非线性数学模型进行描述，如非线性微分方程、差分方程等。控制系统的数学模型仿真系统的数学模型混合模型是将物理模型和统计模型相结合的数学模型，它既可以描述实际系统的动态行为，又可以利用统计数据进行仿真预测。混合模型物理模型是基于物理定律和原理建立的数学模型，它可以准确地描述实际系统的动态行为。物理模型统计模型是基于统计学方法建立的数学模型，它通过对实际系统的数据进行统计分析，得出系统的统计规律，并用于仿真预测。统计模型05控制与仿真的数值计算方法数值计算方法是研究如何用计算机解决各种数学问题的科学，是数学的一个分支，以数字计算机求解数学问题的理论和方法为研究对象。定义根据求解问题的不同，数值计算方法可分为线性代数方程组解法、非线性方程求根、函数插值与逼近、数值微分与数值积分、常微分方程数值解法、偏微分方程数值解法等。分类数值计算方法的定义与分类控制系统建模控制系统分析控制系统设计通过建立控制系统的数学模型，将实际问题转化为数学问题，以便进行数值计算。利用数值计算方法对控制系统的稳定性、动态性能等进行分析，为控制系统的设计提供依据。根据分析结果，利用数值计算方法设计控制器的参数和结构，以满足控制系统的性能要求。控制系统数值计算方法仿真实验设计根据研究目的和实验要求，设计仿真实验方案，包括实验参数设置、实验过程安排等。仿真结果分析利用数值计算方法对仿真实验结果进行分析和处理，提取有用信息，评估系统性能。仿真模型建立通过建立仿真系统的数学模型，描述系统的结构和行为，为仿真实验提供基础。仿真系统数值计算方法06控制与仿真的应用实例

控制系统的应用实例工业自动化在生产线自动化、机器人控制等领域，控制系统能够实现精确的运动控制和过程控制，提高生产效率和产品质量。航空航天在飞机、导弹等航空航天器的制导和控制系统中，控制系统能够实现复杂的飞行轨迹和姿态控制，确保飞行安全和任务成功。智能家居在家庭自动化领域，控制系统能够实现灯光、窗帘、空调等设备的智能控制，提高居住舒适性和能源利用效率。虚拟实验在科研和工程领域，仿真技术能够构建虚拟实验室，进行各种危险或昂贵的实验，提高实验效率和安全性。游戏娱乐在游戏开发领域，仿真技术能够模拟现实世界中的各种物理现象和行为，提供更加逼真的游戏体验。系统设计在复杂系统的设计过程中，仿真技术能够模拟系统的运行过程，预测系统性能，优化设计参数，缩短开发周期和降低成本。仿真技术的应用实例自动驾驶汽车自动驾驶汽车集成了控制和仿真技术，通过感知系统获取环境信息，控制系统实现车辆的运动控制，仿真系统验证自动驾驶算法的有效性和安全性。人机交互系统人机交互系统结合了控制和仿真技术，通过识别和理解用户的输入指令，控制系统实