2016控制系统仿真00—绪论

绪论,课程教学目的,本课程为自动化专业本科生专业选修课掌握利用Matlab等仿真语言和通用编程语言对控制系统进行建模、分析、仿真和设计方法是现代自动化系统科学研究与工程技术高级人才应该具备的基本知识和技能之一。通过本课程的教学，学生应掌握：控制系统仿真的基本概念、基本理论与基本方法；面向工程与科学计算的高级语言Matlab及其动态仿真集成环境Simulink和控制系统工具箱在控制系统分析、仿真和工程设计中的应用；面向控制理论研究和工程设计的仿真程序/软件包/基于GUI的集成仿真软件设计与实现；软件工程基本概念和方法及其在控制系统仿真软件设计中的应用。为学生将来从事的控制系统工程应用打下良好的基础。上课地点：,课程教学基本要求,课程重点控制系统仿真的基本理论与算法，控制系统计算机辅助设计(CAD)的理论和方法，面向工程与科学计算的高级语言Matlab及其动态仿真集成环境Simulink的控制系统工程设计方法。课程难点控制系统模型表示和转换、仿真模型的建立、动态系统的数值仿真方法、控制系统仿真过程和实施方法、Matlab/Simulink、GUI和控制系统工具箱在动态系统仿真中的应用方法和具体计算技术；PID调节器的性能及其参数整定。能力培养要求应用Matlab/Simulink和控制系统工具箱进行控制系统分析、仿真和计算机辅助设计的能力，面向控制理论研究和工程设计的仿真程序/软件包/基于GUI的集成仿真软件设计与实现的能力。课程发展课程中的仿真语言将从Matlab/Simulink向开源软件Scilab/Scicos过渡。,课程安排,1绪论（4学时）1.1计算机仿真的基本概念1.2系统仿真/虚拟现实的定义1.3系统仿真的分类、仿真技术的应用与发展1.4系统的基本概念和系统的描述1.5系统仿真的一般步骤1.6控制系统仿真软件工程2MATLAB语言和编程（2学时）2.1MATLAB简介和基本操作2.2MATLAB的矩阵运算和向量运算2.3MATLAB的控制语句2.4MATLAB的绘图功能2.5MATLAB的函数功能2.6MATLAB的文件功能,课程安排,3动态系统数学模型及转换（4学时）3.1线性系统数学模型的基本描述方法3.2系统数学模型的基本描述方法3.3系统模型的连接3.4典型系统的生成3.5系统的离散化和连续化4.动态系统仿真数值算法（6学时）4.1动态系统仿真基本原理4.2求解微分方程的数值积分法欧拉(Euler)法、梯形法龙格库塔(Runge-Kutta)法阿达姆斯(Adams)法4.3求解线性时不变系统的离散相似法置换法相似变换法4.4动态系统数字仿真过程,课程安排,5动态仿真集成环境Simulink（4学时）5.1Simulink简介5.2模型的构造5.3连续系统的数字仿真5.4仿真系统的线性化模型5.4创建子系统5.5封装模板编辑器5.6s函数6.MatlabGUI设计（4学时）6.1MatlabGUI简介6.2MatlabGUI启动6.3MatlabGUI环境设计6.4MatlabGUI程序设计,课程安排,7.系统仿真中的软件工程（4学时）7.1软件的定义、特点与发展历程7.2软件工程定义方法学软件生存期软件开发模型7.3软件开发过程7.4项目管理和CMM模型8.scilab使用教程（2学时）9.课程上机（8学时，自己安排）,考核和成绩：结课考试：60%，闭卷平时成绩：40%，考勤、平时作业、上机报告,主要参考书,李国勇，谢克明，杨丽娟，计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统（第2版），电子工业出版社，2010年7月薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，机械工业出版社，2005年夏玮，李朝晖，常春藤，控制系统仿真与实例详解，人民邮电出版社，2008年11月王中鲜，MATLAB建模与仿真应用，机械工业出版社，2010年10月StephenR.Sehach,软件工程面向对象和传统的方法.机械工业出版社Bobhughes等，软件项目管理.机械工业出版社,控制系统仿真概述,系统仿真（Systemsimulation）根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。（百度百科）系统仿真的实质是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。系统仿真方法系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。,控制系统仿真概述,系统仿真技术仿真(Simulation):用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。相似理论说明自然界和工程中各相似现象相似原理的学说。是研究自然现象中个性与共性，或特殊与一般的关系以及内部矛盾与外部条件之间的关系的理论。在结构模型试验研究中，只有模型和原型保持相似，才能由模型试验结果推算出原型结构的相应结果。相似理论主要应用于指导模型试验，确定“模型”与“原型”的相似程度、等级等。随着计算机技术的不断进步，相似理论不但成为物理模型试验的理论而继续存在，而且进一步扩充其应用范围和领域，成为计算机“仿真”等领域的指导性理论之一。随着“相似”概念日益扩大，相似理论有从自然科学领域扩展到包括经济、社会科学以及思维科学和认知哲学领域的趋势。,控制系统仿真概述,系统仿真技术相似原理：是仿真所遵循的基本原则。相似第一定理：彼此相似的物理现象必须服从同样的客观规律，若该规律能用方程表示，则物理方程式必须完全相同，而且对应的相似准则必定数值相等。几何相似物理仿真：应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小的物理模型(例如飞机模型放在气流场相似的风洞中)进行实验研究。数学相似数学仿真：应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行实验研究。模拟计算机仿真：连续量并行运算、速度快、精度低、存储和逻辑差。数字计算机仿真：数字量串行运算，组合、存储和逻辑强、精度高数字/模拟计算机混合仿真半物理仿真：有部分实物介入和计算机联合完成仿真,控制系统仿真概述,系统仿真技术计算机仿真（Computersimulation）借助高速、大存储量数字计算机及相关技术，对复杂真实系统的运行过程或状态进行数字化模拟的技术。是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。,控制系统仿真概述,系统仿真技术计算机仿真（Computersimulation）模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系；在某些输入条件下系统的输出响应等。根据系统模型状态变量变化的特征，又可把系统模型分为：连续系统模型状态变量是连续变化的；离散（事件）系统模型状态变化在离散时间点（一般是不确定的）上发生变化；混合型上述两种的混合。计算机仿真技术和用于仿真的计算机（简称仿真机）都应充分反映上述的仿真的特点及满足仿真工作者的需求。计算机仿真的优点替代实物试验，节省投资和时间完成不能进行物理仿真的工作，如危险场合和资金昂贵（冶金工业轧机、化工系统、火箭和航天器等）用一套仿真设备可以对物理性质截然不同的许多控制系统进行仿真研究,控制系统仿真概述,系统仿真技术计算机仿真的三要素系统：研究的对象模型：系统的抽象计算机：工具与手段自动控制系统的计算机仿真（本课程的重点）将实际动态系统的运动规律用数学形式（数学模型）表达出来。它们通常是一组常微分方程或一组差分方程。然后用模拟计算机或数字计算机来求解这些方程。自动控制系统的计算机仿真的作用对被控对象进行分析检验控制系统的实际结果，得出整定参数的规律,控制系统仿真概述,控制系统设计过程,控制对象运动规律的描述,控制对象运动规律定量分析,控制对象运动规律定性分析,控制系统的设计与综合,系统分析（理论/仿真）,控制系统仿真验证,控制系统应用,控制系统仿真概述,控制系统仿真过程第一步：建立系统的数学模型数学模型是系统仿真的依据，所以数学模型是十分重要的（对于控制系统仿真而言，这里所讲的数学模型不仅包括对象，而且还包括了控制器及各种构成系统所必须的部分）。第二步：建立仿真模型通过一定的算法对原系统的数学模型进行离散化处理，就连续系统而言，是建立相应的差分方程。第三步：编制仿真程序可用一般的高级语言或仿真语言。对于快速的实时仿真，往往需要用汇编语言。第四步：进行仿真实验并输出仿真结果通过实验对仿真系统模型及程序进行校验和修改，然后按系统仿真的要求输出仿真结果。,控制系统仿真概述,控制系统仿真过程示意图,控制系统仿真概述,控制系统仿真过程同样是3要素：实际系统、数学模型、计算机，并且共有两次模型化。第一次是将实际系统变成数学模型，第二次是将数学模型变成仿真模型。通常我们将一次模型化的技术称为系统建模或系统辨识，而将二次模型化、仿真编程、运行、修改参数等技术称为系统仿真技术。虽然两者有十分密切的联系，但仍有区别。系统建模或系统辨识是研究实际系统与数学模型之间的关系，而系统仿真技术则是研究系统数学模型与计算机之间的关系将一个能近似描述实际系统的数学模型进行二次模型化，变成一个仿真模型，然后将它们放到计算机上进行运算的过程就称为仿真。,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展仿真技术广泛应用于工程系统，如化工流程模拟、造船、飞机、导弹等研制过程和非工程系统，如用于研究社会经济、人口、污染、生物系统等等。控制系统的仿真是一门涉及到控制理论、计算数学和计算机技术的综合性的学科。学术组织：国际仿真联合会(InternationalAssociationforMathematicandComputerinSimulationIAMCS)中国系统仿真学会(ChineseAssociationforSystemSimulationCASS)硬件历史40年代，出现了通用的模拟计算机，多用于设计飞机。50年代末，数字计算机便在非实时仿真方面开始得到广泛应用1958年，出现了第一台专用的模拟数字混合计算机，用来解决导弹轨道的计算问题。60年代初期，出现了混合计算机的商品。计算机仿真软件的发展60年代初发展了仿真语言。其实，数字仿真通用程序与仿真语言在仿真功能上并无多大差别，只是它们规定了某种语句类型和语法，使用时只要按照这些语句和语法直接把数学模型写成程序就可以了。计算机仿真语言(1)以常微分方程表示数学模型的，如DSL90，MIMIC，CSMP，CSSL等；(2)以偏微分方程表示数学模型的，如FORSIM，PDEL等(3)以差分方程表示数学模型的，如DYNAMO等,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展几种常用仿真软件Porotel、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。SYSTEMVIEW：系统级的电路动态仿真软件MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。SCILAB：和MATLAB功能类似的自由仿真软件。发布SCILAB的相关网址SCILAB主页：SCILAB下载网址：,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展系统仿真虚拟现实增强现实虚拟现实(VirtualReality，简称VR，又译作灵境、幻真)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。增强现实（AugmentedReality，简称AR），也被称之为混合现实。它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。应用实例宇航员、飞行员训练、汽车模拟驾驶厂矿业务培训系统模拟核爆炸、数字军演数字矿山、数字农业、数字钢铁、数字城市虚拟制造计算机游戏,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展虚拟工厂,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展培训系统,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展虚拟现实,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展增强现实导航软件,控制系统仿真概述,仿真技术的应用与发展汽车模拟驾驶训练,控制系统仿真概述,控制系统计算机辅助设计（CSCAD）技术ControlSystemComputer-AidedDesign计算机辅助设计技术(简称CAD)是在计算机技术得到迅速发展后出现的一门新兴技术，它可以利用计算机的快速计算能力及计算机图形技术帮助设计人员进行复杂的设计因此，CAD已在机械制造、建筑设计、服装剪裁、大规模集成电路以及控制系统设计等技术领域内得到广泛的应用。70年代左右，CSCAD在数字仿真技术的基础上逐步发展起来的，目的是解决如何把控制理论转换成工程上可以实现的方法。60年代后，数字计算机逐渐普及，控制系统的设计者开始在数字仿真软件及语言的基础上，增加有关控制器设计的模块，从而产生了第一代CSCAD软件与此同时，为了发展空间技术，人们在古典控制理论中吸收了应用数学方面的新成就，从而发展成为现代控制理论现代控制理论在实践中遇到的最大难题就是如何把由数学语言表达的理论转化为工程上实用的方法，因此，人们迫切希望开发出一种软件系统，使控制工程师可以方便地应用现代控制理论来解决工程实际中的问题。从70年代初到80年代初，世界各国的控制理论界、工程界及计算机软件界互相结合，已开发出一大批用于控制系统设计的软件包虽然它们所采用的理论不尽相同，软件包的结构及人机交互方式也各具特色，但是从功能上看，这些软件都是以控制系统设计为主的；从整体上看，它们已经独立于仿真语言或仿真软件包。通常，称它们为第二代CSCAD软件包。,控制系统仿真概述,由于第二代CSCAD软件包在完整性、一体化、使用环境、对用户的指导等方面还存在许多问题，因此在一定程度上阻碍了第二代CSCAD软件包在工程界的推广应用从80年代中期开始，Taylor，Frederick，Birdwell及Astrom等人先后论述了研究第三代CSCAD软件包的必要性及可行性，并给出了新一代软件包的概念性结构及它们的原型与此同时，在仿真界，Oren及Zeigler也提出了先进的建模方法学的新概念，并开发了功能，完整的建模语言第三代CSCAD软件包利用数据库技术、图形技术及人工智能技术使第二代CSCAD软件包得到了很大的改进我国在CSCAD方面的研究比国外大约晚了10年时间。1984年在国家自然科学基金的资助下，成立了由全国15个科研单位及高等院校组成的CSCAD设计组，开始研制我国第一个多功能、有较完善的软件结构的，适用于科学计算及教学的CSCAD软件包经过三年的努力，该软件包已于1986年6月正式通过国家级鉴定1987年国家自然科学基金委员会再次资助这一有学术价值及实际应用意义的研究课题；目标是进一步完善与扩充该软件包，如：进一步实现一体化，嵌入人工智能技术等，使它接近第三代CSCAD软件系统的水平，并要求在设计过程中严格遵循软件工程的设计方法，使它具有更强的应用价值。一个完整的CSCAD系统应该包括：模型建立、模型转换、模型分析、系统设计(时域、频域)及系统仿真等部分。要开发一套具有实用价值的CSCAD系统，不仅要依赖于强有力的计算机硬件(如：高速的计算机，大容量的内存，高分辨率的图形显示器及Xy绘图仪等)；还要依赖于强有力的系统软件，如：更适合于CSCAD的高级语言，数据库管理系统，图形软件等，更重要的是依赖于如何将控制理论中一切具有实用价值的方法与原理纳入到CSCAD系统中去，而这又依赖于如何将控制系统设计工程师及专家们的经验加入到CSCAD系统中去，因此要求发展各种CSCAD的算法，并使CSCAD与人工智能技术结合起来。,控制系统仿真概述,CSCAD的技术内容控制系统的设计过程设计过程本身是人的创造性与智能决策的结合过程为了实现在设计中的决策，有两个条件是必需的：一是对各种问题进行形式化的创造能力，另一是说明它们相对优缺点的能力设计过程与其它工程活动之间有两个重要的接口，即设计者与顾客之间的交互及设计者与实现者之间的交互。在控制系统设计中，顾客的要求通常是以一种半形式化的方式表达出来的，它们描述了在不同条件下控制系统所期望的性能而设计协议的表示则通常是借助于仿真来实现的，也就是说是通过对系统的形式化模型的实验来实现的设计者与实现者之间的交互要求将一个抽象的控制系统形式化模型转变成一个具体的系统指令、软件及电子硬件,控制系统仿真概述,由CSCAD系统帮助设计者进行复杂控制系统的设计，需要：一个表示模型及系统行为的语言，用这个语言，人们能够形式化地改变设计要求一个软件工具来完成各种不同的计算任务CSCAD系统的各个成分支持控制系统设计的的分三个部分开发模型形式化模型，即数学模型概念性模型，它包含了系统的有关信息，如：模型的应用限制，用它来精确表示实际系统时所存在的长处及弱点，扩展它的各种可能性等设计要求的形式化建立了被控系统的模型后，设计者必须确定控制系统设计的准则，也就是控制系统设计目标的