仿真教学PPT课件

控制系统数字仿真 主讲魏文元 2013年9 11月 基于MATLAB的控制系统计算机仿真 参考教材 瞿亮等 基于MATLAB的控制系统计算机仿真 北京交通大学出版社 2006年参考书 张聚 基于MATLAB的控制系统仿真及应用 电子工业出版社 2012年 王正林等 MATLAB Simulink与控制系统仿真 电子工业出版社 2008年 参考书目 3 第一章绪论2第二章MATLAB程序设计基础4第三章连续系统数字仿真4第四章控制系统数学模型2第五章控制系统时间响应与特性分析4第五章基于Simulink的建模与仿真4第六章控制系统的校正与设计4实验8 教学安排 32学时 8 控制系统数字仿真 数值方法 高数 数值计算方法 系统工程 建模技术 控制理论 传递函数 状态方程 方框图 计算机技术 编程 仿真技术是近几十年发展起来的一门综合性 新技术学科 它为对系统进行研究 分析 设计 决策等提供了先进的手段 在科学研究及生产实践中 由于受到客观条件 如经济 安全 时间等 的限制 常常不能对所研究的对象直接进行试验 在这种情况下 可以采用间接试验的方法 即建立一个与所研究的系统相似的模型 通过模型间接地研究原系统 这种间接试验技术就是仿真技术 比如 工程界 生物 医学界 军事界 追击敌机问题已知 敌机在100KM高空 以20KM min的速度匀速直线行驶 假设 1 只要两机相距在10公里之内 我机就可以摧毁敌机 2 如果10分钟之内没有捕捉到 就认为失败 问 我方飞机应以怎样的速度 沿着什么航线飞行 需要多长时间可捕捉到目标 比如我机以30KM min的速度 每1分钟改变一次方向 能不能捕捉到 我机以40KM min的速度 每2分钟改变一次方向 能不能捕捉到 MATLAB程序vd 20 vw 30 time 1 我机以30KM min的速度 每1分钟改变一次方向i 1 ts 0 xw 0 yw 0 t 1 0 W 1 00 D 1 0100 xd 0 while1i i 1 theta atan 100 yw xd xw 计算我机的方向ctheta cos theta stheta sin theta globalAA vw cthetavw stheta T Y ode45 plane ts ts time xw yw 计算我机的位置n length Y W i Y n t i ts time xd vd ts time 计算敌机的位置D i 1 xd D i 2 100 xw Y n 1 yw Y n 2 Displace sqrt xd xw xd xw 100 yw 100 yw 计算两者距离ifDisplace10disp fail breakendendfigure 1 plot W 1 W 2 g W 1 W 2 r D 1 D 2 bo 我机以30KM min的速度 每1分钟改变一次方向 6分钟可捕捉到敌机 我机以40KM min的速度 每2分钟改变一次方向 不能捕捉到敌机 我机以40KM min的速度 每1 3分钟改变一次方向 能捕捉到敌机 第一章绪论 1 1系统 模型与仿真一 系统 System 二 模型 Model 三 仿真 Simulation 1 2计算机仿真一 计算机仿真的过程 步骤二 计算机仿真的分类三 计算机仿真的意义四 系统仿真的应用及发展五 仿真软件 1 3控制系统计算机仿真 1 1系统 模型与仿真一 系统 System 1 定义所谓 系统 是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合 该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标 特点 整体性 系统由许多要素组成 各个组成部分是不可分割的 相关性 系统内部各要素之间相互以一定规律联系着 层次性 系统可以分解为一系列的子系统 并存在一定的层次结构 目的性 系统具有某种目的 要达到既定的目的 系统必须具有一定的功能 如控制 调节和管理的功能 例如 下图所示的加热炉温度调节系统就是一个工程系统 2 分类通常 根据系统的物理特征 可将系统分为两大类 生产管理部门 采购部门 制造车间 装配车间 运输车间 原料 成品 用户订单 实体 组成系统的具体对象 属性 实体的特性 活动 对象随时间推移而发生的状态变化 3 构成系统的三大要素 实体 属性 活动 下图所示的工厂系统则是一个经济管理系统 非工程系统 二 模型 Model 1 定义所谓 模型 就是对系统的一种客观描述 它通常是真实系统的一种简化 2 模型的作用系统研究的两种方式 直接在真实系统上进行 通常都不采用 因为 在模型上进行 在模型上做实验是对系统进行分析 研究的十分有效的手段 20 3 模型的分类 三 仿真 Simulation 1 定义从广义上来说 为了对系统进行分析研究 首先建立系统的模型 然后在模型上进行试验这一过程就称为 仿真 2 分类 系统仿真可以分成三种 物理仿真 建立物理模型 并在物理模型上进行试验优点 直观 形象缺点 费用大 周期长 结构难于变更 数学仿真 简而言之 就是在计算机上对系统的数学模型进行试验 故又称为 计算机仿真 具体过程 步骤在后面讲解 优点 经济 方便 灵活性大 混合仿真 将数学模型及物理模型或实物联合在一起进行试验 综上所述 系统 模型与仿真之间有着十分密切的关系 仿真 是研究系统的一种试验方法 它包含两个过程 建立模型及对模型进行试验 模型 对系统的描述 系统 被研究的对象 系统 系统模型建立 仿真模型建立 仿真程序设计 仿真试验 数据处理 分析 满足要求否 是仿真模型问题吗 修改程序 修改仿真模型 修改系统模型 N N N Y Y Y 图1 2 1计算机仿真过程流程图 明确系统 确定需要仿真的问题 建立数学模型 即一次简化模型 比如微分方程组 设计一种算法 使数学模型能为计算机接受 并能在计算机上运行 即建立二次简化模型 用算法语言加以描述 即编写程序 BASIC FORTRAN C MATLAB 运行仿真程序 在不同的初始条件和参数下 对系统进行反复地研究和分析 总结得到系统的性能评价 验证仿真结果与实际系统是否一致 1 2计算机仿真一 计算机仿真的过程 步骤计算机仿真的整个过程可用下图的流程图说明 计算机仿真的三个要素 即系统 模型与计算机 联系要素的三个基本活动 模型建立 仿真模型建立及仿真试验 图2 2表示了三要素及三个基本活动之间的关系 二 计算机仿真的分类1 根据被研究系统的特征可以分为两大类 连续系统仿真 数学模型能用一组数学方程式来描述离散事件系统仿真 数学模型一般很难用数学方程来描述 通常是用流程图或网络图来描述 2 根据所用计算机的类型可以分为如下三类 模拟计算机仿真 基于数学模型相似原理 仿真主要工具是模拟计算机 其核心的运算部分由我们熟知的 模拟运算放大器 为主要部件所构成 特点 运算速度快 并行计算 但计算精度较低 一般为千分之几 而且自动化程度低 如 有时需操作员去接线 数字计算机仿真 基于数值计算原理 仿真主要工具是数字计算机 特点 计算精度高 一般小型机也可达到6 7位有效数字 现代数字计算机仿真 采用先进的微型机 专用的仿真软件和仿真语言来实现 其数值计算功能强大 易学易用 模拟 数字仿真 将模拟仿真与数字仿真相结合的一种方法 特点 兼有两者的优点 可用于实时仿真 但价格昂贵 三 应用仿真技术的意义 经济 安全 经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因 对一个大型系统进行研究 采用物理模型或直接在实物上试验 成本十分昂贵 以空间技术为例 单次飞行的成本约为104 108美元 采用数字计算机仿真的方法 仅需实际飞行成本的1 10 1 5 而且设备可以重复使用 可以说 几乎所有的大型发展项目 都十分重视仿真技术的应用 这是因为这些项目投资很大 有相当的风险 而仿真技术的应用可以减小风险 对于某些系统 如载人宇宙飞行器 核电站等 直接试验往往是危险和不允许的 因此必须在模型上进行试验 安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因 所以 航空 航天 武器系统曾经是仿真技术应用的最主要领域 一直到现在仍然占有很大的比重 应用仿真技术的意义 续 预测性 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 直接实验几乎不可能 利用仿真则可预测系统的特性和外作用的影响 从而研究控制的策略 可以获得对系统的某种超前认识 快捷 提高设计效率 比如电路设计 服装设计等等 四 系统仿真的应用及发展 在一个新的系统未建立之前 运用系统仿真技术可以论证系统及其可行性 为准确地进行系统设计打下坚实的基础 在系统设计过程中 利用仿真技术可以帮助设计人员实现系统的最优化设计 系统建成后 利用仿真技术可以分析系统工作的状况 选择最佳运行参数和策略 1 系统仿真的应用 用于系统分析和设计 系统仿真的应用 续 在社会 经济 人口 生态等非工程系统中 用于系统的政策与策略研究 近年来 已采用控制论的观点去研究社会 经济 生态环境等复杂系统和大系统 研究的方法是 首先建立数学模型 然后利用仿真软件在数字计算机上进行反复计算 试验 分析和比较 以求得该系统的最佳运行机制以及切实可行的策略 31 用于人员训练 如 飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器 电站操作人员培训模拟系统 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 50年代以前 物理仿真50年代 主要是模拟计算机仿真 数字计算机仿真刚开始发展60 70年代 数字计算机仿真与模拟 数字仿真都得到快速发展80年代以来 数字仿真技术得到普及未来的发展趋势 改善建模环境 开发仿真数据库 在仿真中应用动画图形技术 研制专家系统 虚拟现实技术 2 系统仿真的发展 五 数字仿真软件的发展自1955年第一个仿真软件问世以来 按照时间顺序 发展分为四个阶段 1 程序编制阶段 采用计算机高级语言 如BASIC FORTRAN C等 即使是一个很简单的系统 程序也会很长 难于调试 2 程序软件包阶段 出现了 应用子程序库 将仿真程序中常用的程序段落编成子程序或过程 用于系统仿真的各种不同问题中 34 3 专用计算机仿真语言阶段 将一大类仿真问题 编写一个通用的主程序 用户只需将必要的参数填进去 经执行就能得到所需结果 如连续系统仿真语言CSSL 离散事件系统仿真语言GPSS 4 模块化图形组态阶段 如 机械系统动力学仿真分析软件ADAMS控制系统计算机辅助设计软件MATLAB ADAMS 1 3控制系统计算机仿真 早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来 如Ziegler与Nichols于1942年提出的PID经验公式就可以十分容易地设计出来 随着控制理论的迅速发展 光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果 加之在计算机领域取得了迅速的发展 于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计方法 一 控制系统的计算机辅助设计 CSCAD ControlSystemComputerAidedDesign 控制系统CAD技术它是对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段 在进行控制系统的分析与综合的过程中 除了要进行理论分析外 还要对系统的特性进行实验研究 研究系统的固有的动态特性 验算设计的控制器能否达到预期的性能指标 这个过程是设计 实验 修改设计 再实验的过程 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平 并一直受到控制界的普遍重视 早在1982年12月和1984年12月 控制系统领域在国际上最权威的IEEE学会的控制系统杂志 ControlSystemsMagazine 和IEEE学会的科研报告集 ProceedingsofIEEE 分别第一次出版了关于控制系统CAD的专著 近三十年来 随着计算机技术的飞速发展 各类控制系统CAD软件频繁出现且种类繁多 MATLAB语言出现以来 就深受控制领域学生和研究者的欢迎 已经成为控制界最流行 最有影响的通用计算机语言 成为控制界学者的首选 MATLAB7 x Simulink6 x 二 控制系统计算机仿真 定义 以控制系统的数学模型为基础 借助计算机对控制系统的动态特性进行实验研究 控制系统的计算机仿真是控制系统的计算机辅助设计的一部分 这一过程包括 建立数学模型 根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数 对系统校正前后进行仿真 并验证控制器的实际控制效果 修改控制器参数或结构 直到仿真结果满足设计要求 以MATLAB作为主要程序设计语言来实现控制系统计算机辅助设计的算法 可以使研究者将主要精力集中在控制系统理论和方法上 而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上 这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解 避免 只见树木 不见森林 的认识偏差 提高控制器设计的效率和可靠性 子曰 工欲善其事 必先利其器 跟踪国际最先进的控制系统CAD软件环境及发展 以当前国际上最流行的控制系统CAD软件环境 MATLAB为基本出发点 来系统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实现 从而大大提高控制系统CAD算法研究与实际应用的效率和可靠性 这是本课程的一个主要目的 小结 系统 模型与仿真 仿真 计算机仿真 数字仿真 控制系统计算机仿真 仿真 实际系统 解析法三者的比较下表列出了利用实际系统 解析方法和仿真技术的比较 可见 仿真技术在可能性 安全性 准确性 方便性方面具有明显优点 在经济性 耗时性方面不如解析方法 因此 在可能采用解析法并允许有一定误差时宜采用解析方法 在要求十分准确或建模有一定困难时宜采用实际系统 其他情况应尽量采用系统仿真技术 50 VirtualReality 虚拟现实 是人工构造的 存在于计算机内部的环境 用户应该能够以自然的方式与这个环境交互 包括感知环境并干预环境 从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感 沉浸感 身临其境的感觉 虚拟现实 VirtualReality VR 系统包括人类操作者 人机接口和计算机 附 虚拟现实的概念 51 虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套 于是 有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志 这种观点是不准确的 上述的虚拟现实的概念 是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域 这个新领域的发展 还有很多困难 有很多技术难点有待解决 当前 这一领域还只是走出了第一步 头盔式立体显示器和数据手套等设备 只是当前已经实现的一部分虚拟显示设备 它们还很不完