计算机控制与仿真-第5章数值积分法仿真.ppt

本章主要教学内容本章主要介绍控制系统数学模型的相关知识 通过本章的学习 读者应掌握以下内容 求解常微分方程数值解的一般方法数值积分法的基本概念及其常用方法以系统微分方程或传递函数作为数学模型的仿真过程及程序设计方法以系统动态结构图作为数学模型的仿真过程及程序设计方法仿真步长的选择与系统仿真精度和稳定性的对应关系快速仿真算法的概念 特点及其应用 第5章数值积分法仿真 5 1数值积分法 第5章数值积分法仿真 5 2面向微分方程的仿真程序设计 5 3面向结构图的仿真程序设计 5 4仿真精度与系统的稳定性 5 5快速仿真算法 5 1数值积分法5 1 1概述数字仿真模型 算法及仿真工具控制系统的数字仿真是利用数字计算机作为仿真工具 采用数学上的各种数值算法求解控制系统运动的微分方程 得到被控物理量的运动规律 通常 计算机模拟被控对象是用一定的仿真算法来实现被控对象的运动规律 这是基于被控对象的数学模型来完成的 控制系统的数学模型经过合理的近似及简化 大多数建立为常微分方程的表达形式 由于数学计算的难度和实际系统的复杂程度 在实际中遇到的大部分微分方程难以得到其解析解 通常都是通过数字计算机采用数值计算的方法来求取其数值解 在高级仿真软件 例如MATLAB 环境下 已提供了功能十分强大 且能保证相应精度的数值求解的功能函数或程序段 使用者仅需要按规定的语言规格调用即可 而无需从数值算法的底层考虑其编程实现过程 5 2 2数值积分法一般情况下 在控制系统仿真中最常用 最基本的求解常微分方程数值解的方法主要是数值积分法 连续系统的数学模型可以采用一个高阶微分方程描述 在求解其值时要用到一些基本的算法 数值积分法就是利用数字计算机构造n次数值积分运算 来对系统的微分方程进行数值求解 常用有三种形式 欧拉法梯形法龙格一库塔法 欧拉公式 亚当姆斯预报 校正公式 二阶龙格 库塔公式 四阶龙格 库塔公式 5 2面向微分方程的仿真程序设计5 2 1通用仿真程序的一般结构及工作原理1 通用仿真程序的基本结构以数字计算机作为仿真工具 使用适当的算法语言来编制通用的仿真程序 可以针对不同的系统进行相应的仿真处理 按常规组成结构 通用仿真程序可分为3个层次 即主程序块 功能程序块 基本子程序块 各模块功分析能如下 1 主程序 完成仿真逻辑控制 实现各功能模块的调用 模型的转换 系统运行 输入输出的控制等 2 初始化程序 完成各类初始数据的准备工作 如设置工作单元 给定变量初值和系统仿真参数等 3 运行程序 实现系统运行的控制 调用数值积分法完成仿真算法处理 得出系统的响应结果 4 输出程序 按用户指定的输出形式 可以在显示器 打印机 绘图仪等设备上将仿真的结果以数据 动态曲线 图形等方式输出 2 仿真的基本原理根据上面的讨论 在给定的图5 4系统模型结构基础上 编制相应的仿真计算程序 将传递函数中的分子和分母多项式系数 输入输出变量初始值送入程序中 完成模型由传递函数向状态方程的转换 根据系统仿真的要求 分别输入仿真步长 打印间隔和次数 外部输入信号幅值等 然后 调用数字积分子程序完成仿真计算 最后将仿真结果送到指定的设备输出 5 2 2仿真源程序及其特点1 面向微分方程的仿真程序特点根据图5 4系统模型结构 所设计的面向微分方程的仿真程序具备以下特点 1 该仿真程序针对线性连续系统单输入 单输出信号的处理过程进行仿真 2 可以将用户输入的系统传递函数模型转化为仿真计算模型 3 在数值积分法中采用四阶龙格 库塔法 可保证系统仿真过程中具备一定的精度和性能指标要求 4 在参考输入r t 的作用下 系统输出y t 随时间变化 仿真程序能按照给定的计算步长 采用已确定的数值算法 对系统中各状态变量和输出逐点变化情况进行求解运算 5 可实现重复运行 便于研究参数的变化对系统动态性能的影响 6 采用人机对话形式输入各变量参数 运行过程直观 形象 修改参数容易 2 仿真程序流程框图 5 3面向结构图的仿真程序设计面向结构图的线性系统仿真基本思想为 1 把一个复杂的高阶线性系统化成由若干典型环节组成的模拟结构图表示 2 将各典型环节参数以及系统各环节的连接关系输入计算机 3 仿真程序将输入的系统模型自动转化为状态空间描述 即状态方程形式 4 调用数值积分法求解 并输出仿真结果 典型环节的确定及算法描述典型环节的选择是重要的一个步骤 它应具备下述两个原则 1 典型性 由它可方便地组成其它任何形式的动态环节 2 简易性 由它组成的系统简便 计算机编程容易实现 常见的动态环节根据控制理论可知 在实际控制系统中比较常见的动态环节主要有以下五种 1 积分环节 2 比例积分环节 3 惯性环节 4 一阶超前 或滞后 环节 5 二阶振荡环节 5 4仿真精度与系统的稳定性 5 4 1仿真过程的三类误差通常 系统仿真的最终精度与现场原始数据的采集 使用的计算机设备档次 仿真计算时的数值积分公式等均有相应的关系 可以分为以下3种情况 1 初始误差在对系统仿真时 要采集现场的原始数据 而计算时要提供初始条件 这样由于数据的采集不一定很准 会造成仿真过程中产生一定的误差 此类误差称为初始误差 要消除或减小初始误差 就应对现场数据进行准确的检测 也可以多次采集 以其平均值作为参考初始数据 2 舍入误差目前 系统仿真大都采用计算机程序处理和数值计算 由于计算机的字长有限 不同档次的计算机其计算结果的有效值不一致 导致仿真过程出现舍入误差 一般情况下 要降低舍入误差应选择挡次高些的计算机 其字长越长 仿真数值结果尾数的舍入误差就越小 3 截断误差当仿真步距确定后 采用的数值积分公式的阶次将导致系统仿真时产生截断误差 阶次越高 截断误差越小 通常仿真时多采用四阶龙格 库塔法 其原因就是这种计算公式的截断误差较小 5 4 2稳定性分析由于系统仿真时存在误差 对仿真结果产生会影响 若计算结果对系统仿真的计算误差反应不敏感 那么称之为算法稳定 否则称算法不稳定 对于不稳定的算法 误差会不断积累 最终可能导致仿真计算达不到系统要求而失败 1 系统的稳定性与仿真步长的关系一个数值解是否稳定 取决于该系统微分方程的特征根是否满足稳定性要求 而不同的数值积分公式具有不同的稳定区域 在仿真时要保证稳定就要合理选择仿真步长 使微分方程的解处于稳定区域之中 2 积分步长的选择由于积分步长直接与系统的仿真精度和稳定性密切相关 所以 应合理地选择积分步长h的值 以保证仿真结果符合用户要求 通常 积分步长h的选择要遵循以下两个原则 1 保证仿真系统的算法稳定 2 保证仿真系统具备一定的计算精度一般情况下 仿真中的初始误差及舍入误差对仿真过程影响不是很大 而截断误差将随积分步长h的加大而增加 会导致系统仿真的精度下降 在仿真计算中 h值不宜选的太小 因为这样会加大计算量 也不能选的过大 否则会导致仿真系统不稳定或误差积累过大 通常掌握的原则是 在保证计算稳定性及计算精度的要求下 尽可能选较大的仿真步长 对于一般工程系统的仿真处理 采用四阶龙格 库塔法居多 5 5快速仿真算法在对系统进行仿真时 会碰到较高阶次的控制系统 由于采用的计算机档次不高会影响到仿真计算速度 占用较长的机时 在参数寻优时往往需要对控制系统进行反复的仿真计算 也将使计算过程加长 此外 系统的实时仿真也会对仿真的快速性提出较高的要求 对于前面所讨论的数值积分法由于有相应的计算工作量 单纯加大仿真步长会影响到系统仿真的精度和稳定性问题 本节介绍几种常用的快速仿真方法 采用这些方法来编制仿真计算子程序 可以弥补数值积分法仿真在速度上的缺陷 便于在实际工程中系统仿真时合理地加以选择 达到提高系统仿真速度的最终目的 5 5 1时域矩阵法时域矩阵法是一种在时域内采用无穷矩阵进行系统仿真的算法 它每一步的计算量较小 而且与系统阶次无关 适合于系统的快速仿真 采用时域矩阵法来分析和讨论系统的动态性能具备下述特点 1 时域矩阵法多用于采样控制系统 由于采用脉冲过程函数g t 来计算系统的闭环响应 不会因系统阶次的增加而加大计算工作量 从而提高了仿真速度 但有时求解高阶系统的脉冲过程函数g t 会有一定的难度 2 由于每个采样时刻的g k 是准确计算出来的 所以采用时域矩阵法仿真时系统的采样周期 或仿真步距 可以选得大些 3 时域矩阵法可推广到非线性系统的快速仿真 5 5 2增广矩阵法增广矩阵法是将系统的控制量增广到状态变量中 使原来的非奇次常微分方程变为一个齐次方程 5 5 3替换法快速仿真的系统通常比较关注系统仿真的速度应该达到规定的要求 而对精度一般不做太高的要求 对于一个高阶系统 如果能从它的传递函数G s 直接推导出与之相匹配的并且允许较大采样周期T的脉冲传递函数G z 然后由G z 获得仿真模型 这将对提高仿真速度十分有利 相匹配的含义是指若G s 是稳定的 那么G z 也是稳定的 同时 当输入相同外作用信号时 由G z 求出的响应和由G s 求出的响应具有相同的特征 要设法找出s与z的对应公式 将G s 中的s替换为z 求得G z 的表达式 这种方法称为替换法 5 5 4根匹配法为了实现对控制系统进行快速仿真 应构造一个G z 它允许较大的采样周期T 且能保证G z 在零 极点分布上与G s 一致 动态响应也一致 这种方法称为根匹配法 根匹配法的一般步骤按照前面的分析 采用根匹配法构造G z 应满足以下条件 1 G z 与G s 具有相同数目的零 极点 2 G z 与G s 的零 极点相互匹配 3 G z 与G s 的终值应相等 4 G z 与G s 具有相同的动态响应 本章小结 本章主要介绍了数值积分法的仿真原理和特点 采用数值积分法面向微分方程 结构图进行仿真的基本思路和程序设计 仿真的精度与系统稳定性讨论 快速仿真算法等内容 在数值积分法中 要熟悉典型环节的选择 确定系统中各环节之间的连接关系 能根据特定的仿真系统 选择合适的仿真变量及参数 确定正确