控制系统仿真第一章

1、前言前言 是一种 模仿模仿 行为。 仿真： 仿真：通过有效 模型模型 对真实或设想的系统进行 动态动态 实验实验 研究的综合性模拟试验 。 仿仿真真实际的系统。实际的系统。 模仿模仿 仿真技术仿真技术：以控制论、系统论、相似原理和信息技术：以控制论、系统论、相似原理和信息技术 为基础，综合集成计算机、为基础，综合集成计算机、 自动控制、网自动控制、网 络、图形图像、多媒体、软件工程信息处络、图形图像、多媒体、软件工程信息处 理理等众多领域的一门实验等众多领域的一门实验技术。技术。 建立在模型模型基础上的实验技术实验技术。 仿真技术： 仿真技术：仿真技术：起源于军事领域，用于对实弹打靶的模拟仿真

2、，以减少起源于军事领域，用于对实弹打靶的模拟仿真，以减少 多次实弹打靶的费用。多次实弹打靶的费用。 航天、航空、兵器、船舶航天、航空、兵器、船舶 、水利水电、水利水电 电子、通讯、机械、天文、经济领域、信息领域电子、通讯、机械、天文、经济领域、信息领域 仿真技术的发展仿真技术的发展：以强劲的：以强劲的有效需求有效需求为牵引为牵引 以强大的以强大的经费支持经费支持做后盾做后盾 航天、航空、兵器、船舶等部门的多个研究所都航天、航空、兵器、船舶等部门的多个研究所都 有不同规格、不同用途的仿真实验室。有不同规格、不同用途的仿真实验室。 第一章 绪论 n1.1基本概念 n1.2仿真的分类 n1.3仿真的

3、优点及应用 n1.4仿真的发展 n1.5教学准备及安排 1.1 基本概念 一、控制系统 计算装置作动器被控对象 测量反馈装置 控制器 1.图示 由被控对象被控对象及使被控对象按人的意愿运行的控制器 组成的闭合回路。 广义被控对象 2.组成 广义控制器包括三部分 a.计算装置 模拟式-运放搭成的模拟控制器 数字式-计算机 b.作动器 电、液、气、热装置等 c.测量反馈装置 测速，测位，测温 3.特点： 控制系统是实体的集合。 控制系统具有目的性控制系统具有目的性： 完成特定功能：液位、位置、速度、温度 满足性能指标：控制精度、超调、振荡次数 控制系统设计： 确定控制器的类型、结构、参数。 这是一

4、个设计、验证验证、再设计、再验证再验证的反复 过程。验证：仿真验证、实验验证。验证：仿真验证、实验验证。 常用模型列于下表： 连续系统离散系统 微分方程差分方程 x(k+1)=g(x(k),u(k),k) 传递函数 G(s)脉冲传递函数 K(z) 状态方程 A,B,C,D离散状态方程 A(k), B(k), C(k), D(k) 二、控制系统的数学模型 n是控制系统某种特定性能的一种抽象形式。 ),(tuxfx 例如： 电机的调速特性：n=Km*v 电机的速度响应：k/（Ts+1） 静态特 性 动态特 性 机电时间常数 电磁时间常数 输入输出的数 量对应关系 过渡过程：输 出与时间的关 系 k

5、/（Ts2+Ts+1） 三、控制系统建模 n1.建模方法 建模是仿真的基础。 分析法：运用已知的定理、定律推导计算。 实验法：将系统视为黑箱，加入激励信号，测 量其输出。 综合法：将分析法与实验法相结合。 用分析法确定模型结构，用实验法确 定参数。 2.建模要求 （1）数学模型的正确与否和精确度程度直接影响到仿真的置信度。）数学模型的正确与否和精确度程度直接影响到仿真的置信度。 （2）数学模型的建立必须针对特定的应用领域和预期的使用目的。）数学模型的建立必须针对特定的应用领域和预期的使用目的。 同一客观事物的描述可以建立不同形式和不同精度的数学模型。同一客观事物的描述可以建立不同形式和不同精度

6、的数学模型。 直流电动机建模：分析法 m J a U a I m L L J + - a J 12 k a L a R m J a U a I m L L J + - a J 12 k a L a R 简化 +JL 直流电动机建模：分析法 电枢回路方程 dt di LiRaEu aa 反电势 meme kkE 转动轴上的力矩方程 mmmmlm JJMik ssJMsIk sksE ssITsIRasEsUa mmlm me l )()( )()( )()()()( 1 / 1 sT Ra l m k sJ m 1 s 1 e k l M Im Ua+ - E - + m m J a U a I

7、 m L L J + - a J 12 k a L a R -输出输出 伺服系统建模：综合法 bsas k sGp 2 )( 模型拟合模型拟合 四、控制系统仿真 n对控制系统的模型进行实验研究 l仿真过程： 主要包括以下几个阶段：主要包括以下几个阶段： 问题描述，系统模型建立，模型转换，模型校核、问题描述，系统模型建立，模型转换，模型校核、 验证和确认，实验方案制定，验证和确认，实验方案制定，仿真实验、结果分析。仿真实验、结果分析。 1.2仿真的分类 数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用 数学关系数学关系加以描述而得到系统的数学模 型，对数学模型进行实验的过程称为数 学仿真。 数学仿真优

8、点：方便、灵活、经济 数学仿真缺点：受限于系统建模技术， 即系统数学模型不易建立。 1.根据模型的物理属性分类 function dotx=func4(t,x) a=0 1 0;0 0 1;-22.06 -27 -10; b=0;0;40.6; dotx=a*x+b; 物理仿真：按照真实系统的物理性质物理性质构造系统的物 理模型，并在物理模型上进行实验的过 程称为物理仿真。 物理仿真的缺点：模型改变困难， 实验限制多，投资较大。 物理仿真的优点：直观、形象， 也称为“模拟”。 飞机的风洞试验 汽车碰撞试验 半物理仿真：半物理仿真：将数学模型与物理模型或实物联合联合起来 进行实验。 对系统中比较

9、简单的部分或对其规律比较清楚的部分建对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建 立数学模型，并在计算机上加以实现。立数学模型，并在计算机上加以实现。 对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的部分，或希对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的部分，或希 望考察其性能的部件，则采用物理模型或实物。望考察其性能的部件，则采用物理模型或实物。 仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。 是目前应用最广的一种仿真模式。 飞行环境仿真器飞行环境仿真器 飞机侧向动力学飞机侧向动力学 飞机运动学飞机运动学 比力数据计算比力数据计算 数据采集数据采集 /通信通信 侧向飞控

10、系统侧向飞控系统 导航控制导航控制 飞行航线管理飞行航线管理 转台控制器转台控制器 三轴转台三轴转台 陀螺稳定平台陀螺稳定平台 速率陀螺组合速率陀螺组合 自动驾驶仪自动驾驶仪 副翼舵机副翼舵机 方向舵机方向舵机 角运动指令角运动指令 xg yg x y 被试件被试件 （实物）（实物） 被试件被试件 （实物）（实物） 仿真设备：模拟姿态 运动（三轴转台） 主仿真机： 数学模型 某型飞机半物理仿真框图 被试件被试件 （实物）（实物） 仿真设备：模 拟姿态运动 （三轴转台） 主仿真机： 数学模型 仿真设备：模 拟无线电特性 某型导弹半物理仿真框图 主仿真机主仿真机 弹体六自由度模型弹体六自由度模型

11、平台模型平台模型 速率陀螺模型速率陀螺模型 转台控制器转台控制器 三轴转台三轴转台 导引头导引头 飞控计算机飞控计算机 舵机舵机 负载模拟器负载模拟器 角运动指令角运动指令 舵偏角舵偏角 气动负载指令气动负载指令 飞控指令飞控指令 某型导弹半物理仿真框图 被试件被试件 （实物）（实物） 仿真设备：模拟姿态 运动（三轴转台） 主仿真机： 数学模型 模拟计算机仿真 这是5060年代普遍采用的仿真设备。将系 统数学模型在模拟机上加以实现，并进行实验称 为模拟计算机仿真。 2.根据仿真计算机类型分类 模拟机仿真是一种并行仿真，仿真时，代 表模型的各部件是并发执行的 为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算

12、机 强大的存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系 统的高速仿真，将系统模型分为两部分，其中一 部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字 计算机上运行，两个计算机之间利用模/数和数/模 转换装置交换信息。 数字模拟混合仿真 将系统数学模型用计算机程序加以实现，通 过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统 仿真的目的。 数字计算机仿真则是一种串行仿真，因为计 算机只有一个中央处理器（CPU），计算机指令 只能逐条执行。 数字计算机仿真 在计算机网络上进行的仿真。 目前发展非常迅速，应用十分广泛。 网络仿真 分布交互仿真； 网络游戏 实时仿真 仿真时钟与实际时钟完全一致，模型仿真的速 度与实际系统

13、运行的速度相同。 当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行 实时仿真。故物理仿真和半物理仿真均为实时仿真。 3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实际动态系统的时间称为实际时钟， 系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟。 仿真时钟快于实际时钟，模型仿真的速 度快于实际系统运行的速度。 亚实时仿真（欠实时仿真） 仿真时钟慢于实际时钟，模型仿真的速度慢 于实际系统运行的速度，也称为离线仿真。 超实时仿真 连续系统仿真 连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统。 分为：集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述； 分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述。 4.根据系统模型的特性分类

14、 离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴。 状态变化发生在随机时间点上状态变化发生在随机时间点上, ,这种引起状态变化的行为称为这种引起状态变化的行为称为 “事件事件”，因而这类系统是由事件驱动的；因而这类系统是由事件驱动的； “事件事件”往往发生在往往发生在随机时间点随机时间点上，亦称为随机事件，因上，亦称为随机事件，因 而一般都具有而一般都具有随机特性随机特性； 系统的状态变量往往是系统的状态变量往往是离散变化离散变化的，系统的动态特性很难的，系统的动态特性很难 用人们所熟悉的数学方程形式描述，用人们所熟悉的数学方程形式描述，研究分析的主要目标是系研究分析的主要目标是系 统行为的

15、统行为的统计性能统计性能而不是行为的点轨迹而不是行为的点轨迹。 离散事件系统是指在某些离散事件系统是指在某些随机时间点随机时间点上上系统状态系统状态 发生离散变化发生离散变化的系统。的系统。例如：排队系统、库存系统。例如：排队系统、库存系统。 离散事件系统仿真离散事件系统仿真 与连续系统的主要区别与连续系统的主要区别 1.3仿真的优点及应用 一、优点 1.安全可靠，无破坏性/破坏性可控 2.经济效益好 3.缩短研制周期 4.可多次重复 n二、应用/目的 在控制系统设计的整个过程中，仿真技术都得到应用。 方案论证阶 段 数学仿真简化的数学模型确定总体方案 设计阶段数学仿真为主 物理仿真为辅 精确

16、的数学模型 元部件为实物 确定元部件及控 制策略 样机验证阶 段 物理仿真为主 数学仿真为辅 控制器为实物 精确的数学模型 优化控制参数， 完善系统性能及 功能 使用阶段物理仿真为主 数学仿真为辅 控制器/元部件 为实物 精确的数学模型 故障分析； 系统改进 美国三种典型导弹研制过程中仿真技术的作用美国三种典型导弹研制过程中仿真技术的作用 计划发射 （枚） 实际发设 （枚） 节省导弹 （枚） 节省费用 （千万美元） 爱国者1411014080 罗兰特22495129 42 尾 刺1851147125 节省研制费用节省研制费用10%-40%10%-40%，缩短研制周期，缩短研制周期30%-40%

17、30%-40%。 型号型号研制周期研制周期靶试发数靶试发数 AIM-9D1960-1964129 AIM-9L1972-197569 AIM-9M1978-198135 美国响尾蛇导弹靶试情况美国响尾蛇导弹靶试情况 1 .4仿真的发展 一、发展过程 2.混合仿真时期：混合仿真时期：为满足实时仿真的要求，用接口将 数字机与模拟机连接，形成混合计算机。其中，数 字机-高精度的慢变过程；模拟机低精度的快变 过程。 1.模拟仿真时期模拟仿真时期：采用模拟计算机 40年代末专用模拟机； 50年代初通用模拟机。 3.数字仿真时期数字仿真时期 计算机技术发展-硬件 数值算法发展 -理论 仿真语言发展 -软件 4. 现代仿真技术时期现代仿真技术时期 仿真可视化 仿真过程智能化 仿真发展过程 智能仿真 云仿真/云计算 21世纪 二、发展趋势 2.仿真