计算机仿真82470.ppt

1,控制系统计算机仿真技术,2,控制系统计算机仿真技术课程简介,1课程性质及教学目的控制系统计算机仿真技术是分析、研究、设计控制系统的强有力工具，是从事自动化、控制系统工程、计算机应用技术人员必须掌握的一门新型技术。,3,控制系统计算机仿真技术课程简介,开设本课程的目的是为了适应当前科技的发展和实际工程应用的需要，为高等学校应用型本科教育的工科机电类控制专业和计算机应用专业的学生提供帮助。,4,使学生能够系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理论及其应用技术，理解控制原理和系统的分析方法，掌握计算机仿真的原理及仿真算法，熟练运用MATLAB和SIMULINK相关软件平台对控制系统进行仿真编程及调试、运行，培养扎实的操作技能，为今后在相关领域的应用打下良好的基础。,控制系统计算机仿真技术课程简介,5,2.课程教学安排总学时：40学时；其中实验：816学时考试形式：笔试+实践操作3.教材特点以应用技术为主线，按控制与仿真的应用实例进行分析，强化实践能力的锻炼，既掌握计算机控制与仿真应用的基本原理，又对新兴计算机仿真技术有所跟踪。,控制系统计算机仿真技术课程简介,6,通过各种典型知识及其应用技术的学习，注重培养面向生产一线的应用型人才的专业技能和实用技术，以适应工程技术教育的需要。教材中的相关概念、理论及应用均以基本要求为主，突出实用的特点；在表达上做到层次清晰，脉络分明，易于理解；在内容的编排上由浅入深，循序渐进，突出重点，通俗易懂。,控制系统计算机仿真技术课程简介,7,4.教材的主要模块自动控制与系统仿真的相关概念和基础知识；控制系统的微分方程、传递函数、动态结构图、状态空间描述等数学模型；控制原理和系统性能的时域分析及频域分析法；计算机控制技术的应用，以常见程序设计、数字PID调节、直接数字控制等内容为主；,控制系统计算机仿真技术课程简介,8,数值积分法和离散相似法的仿真原理及应用；MATLAB的基本知识及其应用；SIMULINK交互式仿真和基本操作；控制系统仿真的应用实例分析。,控制系统计算机仿真技术课程简介,9,本章主要教学内容自动控制的基本概念及其应用开、闭环控制系统的构成和特点控制系统的分类和总体性能要求计算机仿真的概念及其特点系统仿真的分类及仿真过程计算机仿真技术的应用,第1章,绪论,10,本章教学目的及要求理解自动控制的基本概念掌握自动控制系统的组成及分类掌握计算机仿真的基本概念熟悉计算机仿真的特点及其应用,第1章,绪论,11,1.1自动控制的基本概念及其应用1.1.1控制理论的发展1.经典控制理论经典控制理论以反馈控制系统的稳定性为目标，主要研究单输入/单输出（SISO）系统。此类控制系统的分析与设计主要以拉普拉斯（Laplace）变换和Z变换为数学工具，用微分方程、传递函数和结构图等描述系统的动态特性，用时域法、频域响应、根轨迹法来分析研究和设计控制系统。,第1章,绪论,12,经典控制理论特点：（1）本质上是一种频域法，以控制系统的输入/输出特性作为研究的依据，侧重于系统的输出响应性能。（2）在特定信号作用下对控制系统进行分析并研究系统输出的响应。（3）系统控制器由能实现典型控制规律的调节器构成，通过校正使控制系统达到预期的响应性能。（4）经典控制理论的基本内容包括时域法、频域法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何判据以及校正网络的设计等，研究的主要问题是控制系统的稳定性、动态性能和稳态精度，以及改善系统性能的方法。,第1章,绪论,13,2.现代控制理论现代控制理论以线性代数为数学工具，用状态空间法来描述系统的内部性能，用零极点配置、最优控制、状态方程等理论来研究和设计控制系统。主要处理多输入/多输出（MIMO）系统的稳定性、能控性、能观测性等问题。,第1章,绪论,14,现代控制理论特点：（1）本质上是一种时域方法，建立在状态变量的基础上以多变量、线性及非线性系统为研究对象。（2）以状态空间法对系统进行数学描述，并在此基础上进行各种定性和定量的分析以及期望特性的控制规律设计。（3）以现代数学方法为主要分析手段。（4）以计算机为主要计算及分析工具。（5）能够处理复杂非线性、多输入/多输出、参数时变等复杂控制对象。,第1章,绪论,15,第1章,绪论,1.1.2自动控制的概念及其应用1.系统的定义控制工程中系统定义为：由相互联系、相互作用的物体所形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。如：一个大型钢铁联合企业可以看作是一个系统，它由相互联系和相互作用的采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧钢、成品制造等工厂有机的组合在一起。,16,2.系统的三要素如果从系统本身的组成、特点和规律等方面进行评价，一个系统应具备以下三大要素：（1）实体系统是由一些相互联系的实际物体组合而成的，这些物体称为实体。如图1-1所示的温度控制系统，由比较器、调节器、加热炉、温度传感器等装置组合而成，这些装置就是实体。,绪论,第1章,17,图1-1温度控制系统,第1章,绪论,18,（2）属性组成系统的每个实体都具备一定的特征，这些特征称为系统的属性。图1-1温度控制系统中，温度、偏差值、干扰量、燃料量等就是实体的属性。（3）活动在内外部因素的作用下系统会按照一定的规律发生变化，该过程称之为活动。温度控制系统中，以调节电压或燃料的输入量作为主要的活动。,第1章,绪论,19,3.系统的特性（1）整体性：系统作为一个整体存在，各组成部分不可分割。（2）结构性：各类系统均按照一定的内部特性或外部结构组合而成。（3）相关性：系统内部各物体之间以一定的规律进行相互联系和作用。（4）历时性：在控制过程中会随着时间的推移，使系统的状态和效果发生变化。（5）有序性：各实体在变化过程中按照一定的操作顺序进行动作。,第1章,绪论,20,1.1.3自动控制的任务1.基本概念（1）控制：对被控对象进行主动干预、管理和操纵的过程。（2）自动控制：采用控制装置有目的地对机器设备或生产过程进行控制并达到预期状态或性能的过程。（3）自动控制系统：能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的有机整体。,绪论,第1章,21,2自动控制的任务自动控制的任务就是利用控制装置自动地操纵控制对象，使被控量等于系统所应保持的给定值。如果系统的输入量以时间函数来表示，输出量以时间函数来表示，则自动控制的任务可以表示为：,第1章,绪论,22,1.1.4自动控制的基本方式按照系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统控制方式分为开环控制和闭环控制两大类，开环控制又有按给定值操纵和按干扰值补偿两种方式。1.按给定值操纵的开环控制该方式是按照系统的给定值来控制输出量，两者之间一一对应。控制过程如图1-5所示。,第1章,绪论,23,图1-5按给定值操纵的开环控制系统,绪论,第1章,24,按给定值操纵的开环控制具备以下特点：信号单向传递。给定一个输入与之对应一个输出。控制精度比较低，自身无法纠正内部和外部的干扰影响。结构简单，成本低，容易实现。多用于精度要求不高，内外部干扰影响比较小的场合。例如，自动化流水线、自动售货机、全自动洗衣机等都是采用给定值操纵的开环控制方式。,第1章,绪论,25,绪论,第1章,2.按干扰值补偿的开环控制该方式中，系统的输入量是外部干扰信号，经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消其对系统产生的影响。其控制过程如图1-7所示。,26,绪论,第1章,图1-7按干扰补偿的开环控制,27,按干扰值补偿的开环控制具备以下特点：外部输入的干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递。在系统的干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿。该方式通常用于系统内外部干扰信号较大且可以测量的场合。例如，机械加工恒速控制装置，电源稳压控制装置等都是按干扰值补偿的开环控制方式。,绪论,第1章,28,3.按偏差调节的闭环控制（反馈控制）系统输出量反馈到输入端产生偏差后对输出量再进行控制的系统叫做闭环控制系统。反馈是把系统输出量全部或一部分回送到输入端以增强或减弱输入信号的效应。起增强效应时为正反馈，起减弱效应时为负反馈。正反馈会使系统的偏差越来越大；只有负反馈控制才能完成自动控制的任务。闭环控制的原理就是通过传感器测量出系统的实际输出值，反馈到输入端与系统的给定值比较产生偏差，再按照偏差的大小自动地加以修正。,第1章,绪论,29,图1-8按偏差调节的闭环控制,绪论,第1章,30,按偏差调节的闭环控制主要表现在以下两个过程：（1）输入量测量反馈比较环节产生测量偏差；（2）放大环节执行机构消除偏差。闭环控制系统特点：信号既可单向传递又有反馈传递，形成闭合回路。为了得到偏差信号必须采用负反馈。可自动修正输出量的偏差，并对系统内外部干扰进行补偿。控制精度较高，使用场合比较广。,第1章,绪论,31,3.开环控制与闭环控制系统的比较开环控制系统结构简单、容易实现，成本低，系统调试方便，但抗干扰能力差，控制精度较低，一般多用于控制过程比较简单、精度要求不高的场合。闭环控制系统具有自动纠正偏差的能力，并可对内、外部干扰信号进行补偿，控制精度高，但组成的系统包含元件多、结构复杂，价格也较高，多用于控制精度要求较高，系统结构较复杂的场合。,第1章,绪论,32,1.1.5对控制系统的性能要求对控制系统的总体性能要求是：系统稳定程度高动态过程平稳性好动态响应时间短最终控制精度高工程上把它归结为稳、快、准三个方面。,绪论,第1章,33,控制原理需要解决的问题和方法：（1）分析系统稳定性与结构、参量之间的对应关系，给出判断系统稳定性的方法。（2）分析参量与暂态响应的对应关系以及控制规律，提供计算暂态响应性能指标的方法。（3）指出系统的控制规律、参量与稳态响应之间的关系，给出计算系统稳态误差的方法。（4）当原有性能不能达到规定的性能指标时，根据需求适当加入校正装置，提供改善系统整体性能的方法和手段。,第1章,绪论,34,1.2控制系统的组成及分类1.2.1控制系统的组成典型的闭环控制系统如图1-12所示，图中相应控制信号和各类装置、名词术语讨论如下。图1-12典型的闭环控制系统结构图,第1章,绪论,35,1.典型装置及其含义（1）控制装置G1：能够对被控对象起控制作用的设备总称。（2）被控对象G2：系统中的控制对象。（3）反馈环节H：用于检测系统输出状况的测量装置。（4）比较环节：也称比较元件，系统中进行信号叠加的作用点，以产生偏差信号。,第1章,绪论,36,2.各类信号及其含义（1）输入信号r：系统给定值。（2）输出信号c：系统的输出量。（3）主反馈信号b：主反馈环节的输出信号。（4）偏差信号e：输入信号与主反馈信号之差，erb。（5）控制信号m：控制装置的输出量。（6）干扰信号n：系统内部和外部的干扰量。,第1章,绪论,37,3.有关名词术语（1）前向通道：从输入端到输出端的正向传输通道。（2）主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道。（3）主反馈回路：前向通道与主反馈通道所形成的连续传输的闭合回路。（4）局部反馈回路：信号从前向通道与反馈通道连续传输的闭合回路。（5）单位反馈系统：当主反馈环节的H=1时，主反馈信号等于输出量的系统。（6）非单位反馈系统：主反馈信号不等于输出量的系统，此时主反馈环节H1。,第1章,绪论,38,1.2.2控制系统的分类1.按系统的物理特征分类（1）工程系统（2）非工程系统2.按系统的输出特征分类（1）随动系统（2）自动稳定系统（3）程序控制系统（4）数字控制系统,第1章,绪论,39,3.按系统的数学模型分类（1）线性系统（2）非线性系统4.按系统中信号的变化规律分类（1）线性连续系统（2）采样系统（3）离散事件系统5.按系统的复杂程度分类（1）简单系统（2）复杂系统,第1章,绪论,40,绪论,第1章,1.3计算机仿真概述在工程设计与理论学习中，会接触许多控制系统的分析、综合与设计问题，需要对相应的系统进行实验研究解析法、实验法、仿真实验法。一、解析法：运用已掌握的理论知识（定理、定律）对控制系统进行理论上的分析、计算。纯理论意义上的实验分析方法。受理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等影响，解析法有很大局限性。,41,绪论,第1章,二、实验法：对已有的实际系统，利用仪器设备对系统施加一定类型的信号或用运行型号，测取系统响应来确定系统性能的方法。简明、直观、真实，经常使用。1）控制系统的设计问题，系统还未建立，无法实验。2）实际系统不允许实验，化工控制中，随意改变系统运行参数，会导致最终成品报废，造成巨额损失。3）费用过高、具有危险性、周期较长。如：大型加热炉、飞行器、核反应装置等。,42,绪论,第1章,三、仿真实验法：在模型上（物理的或数学的）所进行的系统性能分析与研究的实验方法，遵循的基本原则是相似原理。物理模型，“风洞”，环境相似。“船舶设计”，几何相似。效果逼真、精度高；造价高，耗时长。数学模型，可用计算机实现。性能相似。建立高精度的数学模型。,43,绪论,第1章,1.3.1系统仿真的概念和仿真过程1.仿真的定义仿真是指利用模型对实际系统进行实验研究的过程，或者说，仿真是一种通过模型实验揭示系统原型的运动规律的方法。2.相似原理（1）描述系统原型和模型的数学表达式在形式上是完全相同的。（2）系统中变量之间存在着一一对应的关系且成比例。,44,第1章,绪论,（3）一个表达式的变量被另一个表达式中相应变量置换后，表达式对应各项的系数保持相等。3.系统仿真的三要素仿真研究的对象是控制系统，而系统特性的表征主要采用与之相应的系统数学模型，将模型放到计算机上进行相应的处理就构成完整的系统仿真过程。因此，我们将实际系统、数学模型、计算机称为系统仿真的三要素。其相互关系可表示为图1-15所示。对应三要素有三个基本活动：模型建立、仿真实验、结果分析。,45,图1-15系统仿真三要素的对应关系,第1章,绪论,46,4.系统仿真过程描述问题，明确目的，进行方案设计与系统定义；建立系统的数学模型；将系统的数学模型转化换仿真模型；编制仿真程序；进行仿真实验并输出结果。,第1章,绪论,47,第1章,借助功能非常强大的科学计算软件MATLAB及其SIMUKINK集成环境作为仿真工具来研究和分析控制系统已经比较普遍。利用MATLAB提供的工具箱和软件包，用户可以完成诸如系统辨识、系统建模、仿真以及模糊控制等系统设计的任务，既方便又直观形象。SIMULINK是MATLAB环境下的模拟工具，可以用来数学建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统、离散系统。有关MATLAB和SIMUKINK的知识在后续章节作专门的讨论。,绪论,48,第1章,1.3.2系统仿真的分类1.按仿真模型的种类分类（1）物理仿真采用物理模型，有实物介入，实时在线。（2）数学仿真采用数学模型，计算机，非实时离线。（3）数学物理仿真两者结合2.按仿真模型与实际系统的时间关系划分（1）实时仿真（2）超实时仿真（3）慢实时仿真3.按系统随时间变化的状态分类（1）连续系统仿真（2）离散事件系统仿真,绪论,49,第1章,1.4计算机仿真的特点及其应用1.4.1计算机仿真的特点1.模拟计算机仿真模拟计算机是一种以运算放大器为基本部件，可进行积分、微分、求和等运算，适用于以微分方程描述的仿真系统。优点：采用并行运算，速度快，输出为连续量，易于与实物连接，比较接近实际的控制系统；缺点：计算精度比较低，复杂系统仿真线路实现难度较大，自动化程度低，价格昂贵，一般较少采用。,绪论,50,第1章,2.数字计算机仿真由于数字计算机硬、软件技术的迅速发展，功能不断增强，所以采用数字计算机仿真得到了广泛的应用。优点：仿真计算精度高，使用方便，修改参数容易，采用程序控制，自动化程度高；缺点：仿真速度较慢，对反应较快的系统进行实时仿真有一定困难。3.混合计算机仿真该方式将模拟计算机和数字计算机有机地结合起来，在对控制系统进行参数寻优、统计分析等反复迭代运算，以及要求与实物结合连续进行实时仿真、同时又有一些复杂的函数需要计算的场合中有着明显的优势。,绪论,51,4.微型计算机阵列仿真由于微型计算机的迅速发展，仿真语言及仿真软件包的不断完善，采用多台微型计算机构成全数字式仿真系统，这就是微型计算机阵列仿真。它可以进一步提高仿真的功能和自动化程度，也为集散控制系统仿真打下良好的基础。,第1章,绪论,52,1.4.2计算机仿真软件一、仿真软件的发展四个阶段（1）程序编制，初级阶段，高级语言编写（数学求解），仿真效率低，难以广泛应用。（2）程序软件包，数值计算组成“应用子程序”，便于调用，为仿真奠定基础；但使用不便，调用繁琐，专业性强，可信度低。（3）交互式语言，仿真语言可用一条指令实现“系统特征值求取”，不必考虑用什么算法以及如何实现等低级问题。（4）模型化图形组态，基于模型的图形化描述方法，MATLAB(美国MathWork公司的软件产品),SIMULINK。,第1章,绪论,53,1.4.3仿真技术的应用与发展一、仿真技术在工程中的应用（1）航空与航天工业，系统庞杂、造价高昂等因素促成了其必须建立起完备的仿真实验体系；美国1958年四次发射全部失败，1959年成功率57%，美国宇航局逐步建立了一整套仿真实验体系，60年代成功率达79%，70年达91%，近期已很少有不成功的情况；目前，许多国家航空与航天工业相继建立了大型仿真实验机构，形成了三级仿真实验体系，保证飞行器从设计到定型生产过程的经济性与安全性。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器方面相继研制出多种产品。,第1章,绪论,54,（2）电力工业，最早采用仿真技术的领域之一，电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流等方面，国内较早地采用了数字仿真技术，取得显著的经济效益。近年来，国内在电站操作人员培训模拟系统的研制上，达到国际先进水平，为仿真技术的应用开辟了广阔的前景。（3）原子能工业，原子能利用越来越广泛，原子能电站运行的稳定性、安全性与可靠性等问题成为必须解决的首要问题；核电站都有相应的仿真系统，许多仿真器是全尺寸的，即仿真系统与真实系统是完全一致的，只是对象部分如：反应堆、涡轮发电机及有关的动力装置则是用计算机来模拟的。,第1章,绪论,55,（4）石油、化工及冶金工业，石油、化工生产过程中有一个显著特点就是过程缓慢，而且往往过程控制、生产管理、生产计划、经济核算等搅在一起，使综合效益指标难以预测与控制；仿真实验成为石油、化工及冶金系统设计与分析研究的基本手段，对这些领域的技术进步也不同程度地起到了促进作用。（5）非工程领域，医学，病变模型建立、治疗方案寻优、化疗与电疗强度选择以及最佳照射条件等，为医生提供参考依据；社会学，人口增长、环境污染、能源消耗以及病情防疫等，利用仿真技术有效解决预测与控制问题。宏观经济与商业策略的研究，金融、证卷、期货以及国家宏观经济调整等方面，数字仿真技术成为不可缺少的有力工具。,第1章,绪论,56,二、应用仿真技术的重要意义（1）仿真技术的优点经济，对于大型复杂系统，直接实验的费用往往十分昂贵，如：空间飞行器一次飞行实验的成本在108美元左右，采用仿真实验仅需其成本的1/101/5，而设备可以重复使用。安全，对某些系统（载人飞行器、核电装置等），直接实验往往存在很大危险，甚至不允许，采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统研究起到保障作用。快捷，在系统分析与设计、产品前期开放以及新理论的检验等方面，采用仿真技术可使工作进程大大加快，如：服装设计。,第1章,绪论,57,（2）仿真技术的