第1讲 系统仿真及MATLAB概述

1、计算机仿真计算机仿真 2 教学时数分配教学时数分配 |内容内容 学时数学时数 |系统仿真及MATLAB概述 2 |系统建模及仿真算法 2 |MATLAB的数学运算 2 |MATLAB的绘图及图像处理 4 |仿真工具SIMULINK 4 |电力系统仿真 4 |控制系统仿真 4 |MATLAB控制系统解决方案及常用工具箱 2 2 |总计总计 32 3 第第1章章 系统仿真及系统仿真及MATLAB概述概述 4 1 仿真的概念仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领 域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理 设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验 研究的一门综合性技术。 仿真遵循

2、的原则： 原理抽象 相似原理。 相似原理：几何相似、性能相似、环境相似。 几何相似：根据相似原理把原来的实际系 统放大可缩小。如把12000吨水压机可用 1200吨或120吨水压机作其模型。万吨轮 船也要用缩小的模型来研究。 性能相似：构成模型的元素和原系统的不 同，但其性能相似。如：可用一个电气系 统来模拟热传导系统。在这个电气系统中 电容代表热容量，电阻代表热阻，电压代 表温差，电流代表热流。 选择在模型上进行实验的原因 系统尚未设计出来 某些实验会对系统造成伤害 难以保证实验条件的一致性；如果存在人的 因素，则更难保证条件的一致性。 费用高 无法复原 仿真的目的或作用 优化设计 预测系统

3、的性能和参数 经济性 采用物理模型或实物实验，花费巨大。 采用数学模型即计算机数学仿真可大幅度的降低成 本并可重复使用。 安全性 载人飞行器和核电站的危险性不允许。 预测性 对于非工程系统，直接实验不可能，只能采用预测 的方法。（天气预报） 复原性 8 1气囊弹射速度确定（1997年，美国） 原来220英里/小时，在加拿大一年统计：6000件事故， 救了4000人，打死2000人；1997年12月美国众议院通过， 调整到180英里/小时. 2 美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用 原计划发射 仿真后实发 节省导弹 节省费用 （千万美元） 爱国者 141 101 40 80 罗兰特 224 1

4、29 9542 尾 刺 185 114 71 25 几个例子几个例子： 仿真技术应用举例仿真技术应用举例 世贸大厦倒塌的结构问题世贸大厦倒塌的结构问题 电视机抗跌落分析 设计工程师提 供结构改进及 包装设计的理 论依据 LS-DYNA的计算结果 2.仿真的分类仿真的分类 (1)物理仿真： 指研制某些实体模型，使之能够重现原系统的各种状态。 特点：效果逼真，精度，但造价高或耗时长。 (2)数学仿真：用数学语言去表述一个系统，并编制程序 在计算机上对实际系统进行研究的过程。 特点：具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。 但有其局限性。对某些复杂系统可能很难用数学模型来 表达，或者难以建立其精

5、确模型，或者数学模型过于复杂 而目前无法求解。或者计算量太大而无法利用现有的计算 资源进行仿真。 （3）数学物理仿真或者混合仿真：在系统研究中往往把 数学模型、物理模型和实体结合起来组成复杂的仿真系 统。 仿真技术的应用 1.仿真技术在仿真技术在系统设计系统设计中的应用中的应用 新系统设计新系统设计：提供了强有力的工具：提供了强有力的工具 （1）在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打）在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打 下坚实的基础；下坚实的基础； （2）在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行）在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行 优化设计。优化设计。 系统改造设

6、计系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置：涉及新的设备、部件或控制装置 利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件，利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件， 另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对 原系统的破坏或影响大大缩短开工周期，提高系统投入的一原系统的破坏或影响大大缩短开工周期，提高系统投入的一 次成功率。次成功率。 2.仿真技术在系统分析中的应用 在真实系统上进行试验在真实系统上进行试验 （1）在真实系统上试验会破坏系统的正常运行；）在真实系统上试验会破坏系统的正常运行； （2）难以按预期的要求改变参

7、数，或者得不到所）难以按预期的要求改变参数，或者得不到所 需要的试验条件；需要的试验条件； （3）很难保证每次的操作条件相同，难以对试验）很难保证每次的操作条件相同，难以对试验 结果做出正确的判断；结果做出正确的判断； （4）无法复原；）无法复原； （5）试验时间太长、费用太大或者有危险等）试验时间太长、费用太大或者有危险等。 (1)工程领域工程领域: 机械，航空机械，航空，航天航天，电力电力，冶金冶金，化工和电化工和电 子等子等. 非工程领域非工程领域: 交通管理交通管理，生产调度生产调度，库存控制库存控制，生态环境和生态环境和 社会经济等社会经济等. (2) CVDS (Continuou

8、s Variable Dynamic Systems) 连续（变量连续（变量动态）系统动态）系统 DEDS (Discrete Event Dynamic Systems) 离散事件（动态）系统离散事件（动态）系统 HDS (Hybrid Dynamic Systems) 混合（动态）系统混合（动态）系统 仿真技术在系统设计中的应用仿真技术在系统设计中的应用(续续) 陀螺陀螺控制控制 器器 机机 体体 给定给定 航向航向 实际实际 航向航向 管理管理 部门部门 用户用户 订单订单 原材原材 料料 产产 品品 采购采购 部门部门 制造制造 部门部门 装配装配 部门部门 销售销售 部门部门 3.仿

9、真在教育与训练中的应用 训练仿真系统训练仿真系统 利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器 仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境，仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境， 从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员的系统。从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员的系统。 三大类：三大类： 载体操纵型载体操纵型 这是与运载工具有关的仿真系统，航空、航这是与运载工具有关的仿真系统，航空、航 天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为主天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为主 要目的；要目的； 过程控

10、制型过程控制型 用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、用于训练各种工厂的运行操作人员，如电厂、 化工厂、核电站、电力网等；化工厂、核电站、电力网等； 博弈决策型博弈决策型 企业管理人员（厂长、经理），交通管制人员（火车调度、企业管理人员（厂长、经理），交通管制人员（火车调度、 航空管制、港口管制、城市交通指挥等），航空管制、港口管制、城市交通指挥等）， 军事指挥人员军事指挥人员 （空战、海战、电子战等）。（空战、海战、电子战等）。 举例：船舶训练仿真系统 （1）人在回路中操作环境、视觉环境 、听觉环境、力觉环境（加速度、速度） 。 （2）真实性：模型的准确性以人的感觉 为判断依据、模型的多面

11、向要求。 （3）实时要求必须保证：仿真算法、 软硬件选择、输入输出接口要求。 视景产生器 其它船舶的大视场景象产生设备。 模拟驾驶舱 各种航行仪表、雷达等设备，由驱动系统 实现船舶摇摆模拟。 环境音响发生器 模拟风、流、浪及外界产生的音响。 仿真计算机 实现船舶操纵运动模型仿真，控制所有外 围设备同步。 环环 境境 音音 响响 产产 生生 器器 受训者受训者 模拟模拟 舰桥舰桥 仿仿 真真 计计 算算 机机 D/A PIO A/D 视景视景视景发生器视景发生器闭路电视闭路电视 控制台控制台 教练员教练员 控制控制 指令指令 CRT 显示显示 记录记录 设备设备 4.仿真在产品开发及制造过程中的

12、应用 虚拟现实技术虚拟现实技术：虚拟环境、模仿人的视、听、动等行为的高级人机：虚拟环境、模仿人的视、听、动等行为的高级人机 交互；交互； 虚拟制造虚拟制造（Virtual Manufacturing） 是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程 为对象的全方位的应用。为对象的全方位的应用。 典型例子典型例子波音波音777 其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在 计算机上完成的，使其开发周期从过去计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到年时间缩短到5年。

13、年。 虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机 技术。技术。 基于基于Internet的虚拟现实在各行各业有着广泛的应用，例如房地的虚拟现实在各行各业有着广泛的应用，例如房地 产、旅游、购物、气象、公安、消防、教育、科研、商业、金融、产、旅游、购物、气象、公安、消防、教育、科研、商业、金融、 海洋、农业、娱乐等方面。海洋、农业、娱乐等方面。 虚拟厂房虚拟厂房 虚拟生产线虚拟生产线 计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工 程、计算机技术的发展密切相关。控制工程 是计算机仿真技术较早的应用领域，其发展 为系统仿真技术的形成和发

14、展奠定了良好的 基础。系统工程完善了建模与仿真的理论体 系，使计算机仿真技术应用于非工程系统。 计算机技术为计算机仿真的应用提供了强有 力的工具和手段。仿真的发展历史可以归纳 为： 仿真软件概述 仿真软件的发展分为六个阶段， 即通用程序设计语言 仿真程序包及初级仿真语言 完善的商品化的高级仿真语言完善的商品化的高级仿真语言 一体化（局部智能化）建模与仿真环境 智能化建模与仿真环境 支持分布交互仿真的综合仿真环境。 1.MATLAB的发展历程的发展历程 MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组 合而成。那是20世纪七十年代，时任美国新墨西哥大学计算 机科学系主任

15、的Cleve Moler出于减轻学生编程负担的动机， 为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包 库程序的的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌 芽状态的MATLAB。 1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立MathWorks公 司，并把MATLAB正式推向市场。从这时起，MATLAB的内核 采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数 据图视功能。 1.2 MATLAB简介简介 MATLAB的发展历史 1984年，年，MATLAB第第1版版(DOS版版) 1992年，年，MATLAB 4.0版版 1994年，年，M

16、ATLAB 4.2版版 1997年，年，MATLAB 5.0版版 1999年，年，MATLAB 5.3版版 2000年，年，MATLAB 6.0版版 2001年，年，MATLAB 6.1版版 2002年，年，MATLAB 6.5版版 2004年，年，MATLAB 7.0版版 2008年，年， MATLAB 7.6版（支持版（支持4线程计算）线程计算） 2009年，年， MATLAB 7.8版（支持版（支持8线程计算）线程计算） 是一种解释性语言，一种演草纸式的科学计算语言是一种解释性语言，一种演草纸式的科学计算语言 Matlab及其应用28 Matlab能做什么 基本的数据处理 优化和解方程

17、动态过程仿真：实时的和非实时的 数据来源：Excel、数据库、A/D等等 嵌入式的控制：Pc/104和DSP 神经元网络、小波分析、GA等等 虚拟现实仿真 掌握 MATLAB MATLAB的构成：的构成： MATLAB开发环境：进行应用研究开发的交互式平台开发环境：进行应用研究开发的交互式平台 MATLAB 数学与运算函数库：用于科学计算的函数数学与运算函数库：用于科学计算的函数 MATLAB 语言：进行应用开发的编程工具语言：进行应用开发的编程工具 图形化开发：二维、三维图形开发的工具图形化开发：二维、三维图形开发的工具 应用程序接口应用程序接口 (API)：用于与其他预言混编：用于与其他预

18、言混编 面向专门领域的工具箱：小波工具箱、神经网络工具箱、面向专门领域的工具箱：小波工具箱、神经网络工具箱、 信号处理工具箱、图像处理工具箱、模糊逻辑工具箱、优信号处理工具箱、图像处理工具箱、模糊逻辑工具箱、优 化工具箱、鲁棒控制工具箱等几十个不同应用的工具箱。化工具箱、鲁棒控制工具箱等几十个不同应用的工具箱。 2. MATLAB语言特色语言特色 MATLAB的五大功能是：的五大功能是： （1）数值计算功能（Numeric Function） （2）符号计算功能（Symbolic Function） （3）图形和可视化功能（Graphic Function） （4）记事本功能（Notebook

19、 Function） （5）可视化建模和仿真功能（SIMULINK Function） MATLAB具有用法简易、可灵活运用、程式结构强又兼具 延展性。以下为其主要优点： 语言简洁紧凑，使用方便灵活。 数值算法稳定可靠，库函数十分丰富。 运算符丰富。 MATLAB既具有结构化的控制语句（if、for、while）， 又支持面向对象的程序设计。 语法限制不严格，程序设计自由度大。 程序的可移植性好。 MATLAB的图形功能强大，支持数据的可视化操作，方 便的显示程序的运行结果。 强大的工具箱。 源程序的开放性，系统的可扩充能力强。 MATLAB是解释执行语言。 Matlab及其应用32 MATL

20、AB特点 高度适应性、开放性：MATLAB的工具箱可以 任意增减，任何人可以自己生成MATLAB工具 箱 可扩充性： MATLAB的函数大多为ASCII文件， 可以直接编辑、修改 基于矩阵运算的工作平台。多版本： windows/unix/dos/Macintosh 极多的工具箱。 33 MATLAB工具箱工具箱 MATLAB的最重要的特征是它拥有解决特定应用问题的程序组，也 就是Toolbox（工具箱），如符号处理工具箱、控制系统工具箱、神 经网络工具箱、模糊逻辑工具箱、通信工具箱和数据采集工具箱等 许多专用工具箱。总的来说，迄今所有的几十个工具箱大致可分为 两类：功能型工具箱和领域型工具箱

21、。功能型工具箱主要用来扩充 MATLAB的符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能以及 与硬件实时交互功能，能用于多种学科；而领域型工具箱是专业性 很强的，如：控制工具箱、金融工具箱等。 MATLAB工具箱具有很强的专门知识要求，此外，开放性也是 MATLAB最重要和最受人欢迎的特点之一。 对用户而言，除了可以使用随MATLAB版本所附带的大量工具箱之 外，MATLAB还有其他很多工具箱，这其中很多工具箱是免费的， 而且这些工具箱覆盖的专业更加广泛。要了解这方面内容，可以到 Mathsworks公司的相关网页上去查找。 Simulink 库 Communications Blockset（

22、通信模块集） Control System Toolbox（控制系统） Dials & Gauges Blockset（面板和仪表模块集） DSP Blockset（数字信号处理模块集） Fixed-Point Blockset（定点模块集） Fuzzy Logic Toolbox（模糊逻辑工具箱） NCD Blockset（非线性控制设计模块集） Neural Network Blockset（神经网络模块集） MPC Blockset（ MPC 模块集） Power System Blockset（电源系统模块集） Real-Time Windows Target（实时窗口目标库） Rea

23、l-Time Workshop（实时工作空间库） Stateflow（状态流程库） Simulink Extras（ Simulink附加库） System ID Blockset（系统辨识模块集） Matlab及其应用35 Matlab能做什么 基本的数据处理 优化和解方程 动态过程仿真：实时的和非实时的 数据来源：Excel、数据库、A/D等等 嵌入式的控制：Pc/104和DSP 神经元网络、小波分析、GA等等 虚拟现实仿真 Matlab及其应用36 Matlab产品家族 Matlab扩展支持在 matlab中队系统的实 施和开发。 工具箱：专用的函数 库，解决特定领域的 问题。 Simulink非线性系统 仿真 Blockset是专门为 simulink建立的模块。 Matlab及其应用3