计算机仿真技术第1章

1、自动控制系统计算机仿真自动控制系统计算机仿真 授课教师：授课教师： 联系电话：联系电话： 办公地址：办公地址： 第第1 1章章 自动控制系统仿真概述自动控制系统仿真概述自动控制系统仿真是一门新兴的技术学科。它是对自动控自动控制系统仿真是一门新兴的技术学科。它是对自动控制系统进行分析、设计与综合研究的一种重要手段。制系统进行分析、设计与综合研究的一种重要手段。目前，目前，MATLABMATLAB为全世界自动控制领域最为流行的设计与为全世界自动控制领域最为流行的设计与仿真软件。仿真软件。自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的工程技术及科

2、研人员所必须掌握的一门技术。工程技术及科研人员所必须掌握的一门技术。1.1 1.1 自动控制系统简介自动控制系统简介在控制工程中，系统的定义为：一个系统是由相互联系、在控制工程中，系统的定义为：一个系统是由相互联系、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。整体。 无人驾驶机无人驾驶机 机器人机器人自动控制系统的定义：在没有人直接参与的情况下，利用自动控制系统的定义：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或生产过程外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的工作状态和参数（被控量

3、）自动地按照预（被控对象）的工作状态和参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。定的规律运行。 自动控制系统的模型是对该控制系统的特征与变化规律的自动控制系统的模型是对该控制系统的特征与变化规律的一种定量抽象表示，是人们为了认识事物所采用的一种手一种定量抽象表示，是人们为了认识事物所采用的一种手段。通常有以下几种模型：段。通常有以下几种模型：（1 1）物理模型：根据相似原理，把真实系统按比例放大）物理模型：根据相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成的模型。或缩小制成的模型。（2 2）数学模型：用数学方程、结构图来描述系统特性的）数学模型：用数学方程、结构图来描述系统特性的模型。模型。 传递函数

4、模型传递函数模型（3 3）数学模型和物理模型相结合的模型（半实物模型）数学模型和物理模型相结合的模型（半实物模型） 自动控制系统建模通常包括以下内容：自动控制系统建模通常包括以下内容：（1 1）确定控制系统模型的结构，建立系统的约束条件，）确定控制系统模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的属性与运动；确定系统的属性与运动；（2 2）测取模型数据）测取模型数据；（3 3）运用相关领域的理论建立系统的数学描述；）运用相关领域的理论建立系统的数学描述；由于自动控制系统的数字仿真是以该系统的数学模型为基由于自动控制系统的数字仿真是以该系统的数学模型为基础的，仿真结果的可信度在很大程度上取决于系统建

5、模的础的，仿真结果的可信度在很大程度上取决于系统建模的准确程度。可见，系统建模至关重要，它在很大程度上决准确程度。可见，系统建模至关重要，它在很大程度上决定了数字仿真实验的成败。定了数字仿真实验的成败。 在在MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink环境下，通常建模的过程会变得十分环境下，通常建模的过程会变得十分方便快捷和真实准确。仿真结果也更加可信。方便快捷和真实准确。仿真结果也更加可信。 1.2 1.2 自动控制系统仿真的基本概念自动控制系统仿真的基本概念1.2.1 1.2.1 仿真的定义仿真的定义自动控制系统的计算机仿真是指以数字计算机为主要工具，自动控制系统的计算机仿

6、真是指以数字计算机为主要工具，编写并且运行反映真实的自动控制系统运行状况的程序。编写并且运行反映真实的自动控制系统运行状况的程序。对计算机输出的信息进行分析和研究，对计算机输出的信息进行分析和研究， 从而对系统性能从而对系统性能进行评价。进行评价。系统仿真所依据的理论是相似性原理。即：真实系统与它系统仿真所依据的理论是相似性原理。即：真实系统与它的数学模型和仿真模型在某种意义上是相似的。的数学模型和仿真模型在某种意义上是相似的。 1.2.2 1.2.2 自动控制系统仿真的分类自动控制系统仿真的分类1. 1. 按照仿真模型的属性分类：按照仿真模型的属性分类： 物理仿真；数学仿真；数学物理仿真；数

7、学仿真；数学- -物理仿真。物理仿真。2. 2. 按系统状态的时间连续性分类按系统状态的时间连续性分类 ： 连续系统；离散事件系统。连续系统；离散事件系统。1.2.3 1.2.3 自动控制系统仿真的过程自动控制系统仿真的过程1. 1. 建立控制系统的数学模型建立控制系统的数学模型 根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学基本定律，列写变量间的数学表达式以建立系统的化学基本定律，列写变量间的数学表达式以建立系统的数学模型。数学模型。2. 2. 建立自动控制系统的仿真模型建立自动控制系统的仿真模型 为自动控制系统所建立的数学模型，通常是用

8、微分方程、为自动控制系统所建立的数学模型，通常是用微分方程、差分方程、传递函数、状态方程，或者是差分方程、传递函数、状态方程，或者是Simulink 模型。模型。3. 3. 在计算机上进行仿真实验并输出仿真结果在计算机上进行仿真实验并输出仿真结果1.3 1.3 仿真技术在控制系统设计中的应用及其仿真技术在控制系统设计中的应用及其重要意义重要意义1.3.1 1.3.1 自动控制系统简介自动控制系统简介1.3.2 1.3.2 仿真技术与仿真技术与CADCAD在自动控制系统设计中的重要意义在自动控制系统设计中的重要意义 经典控制理论主要研究单输入单输出（经典控制理论主要研究单输入单输出（SISOSI

9、SO）系统，所涉）系统，所涉及的系统大多是线性定常系统。控制系统设计及的系统大多是线性定常系统。控制系统设计主要依赖于主要依赖于图解法图解法 。常用方法包括频率特性法和根轨迹法等。常用方法包括频率特性法和根轨迹法等。现代控制理论可以用来解决多输入多输出（现代控制理论可以用来解决多输入多输出（MIMOMIMO）系统）系统的问题，系统可以是线性的或非线性的，定常的或时变的。的问题，系统可以是线性的或非线性的，定常的或时变的。其主要的研究方法是状态空间法。其主要的研究方法是状态空间法。掌握自动控制系统仿真与掌握自动控制系统仿真与CADCAD技术是当今控制系统工程师技术是当今控制系统工程师必须具有的基

10、本技能。否则，就会被时代所淘汰。必须具有的基本技能。否则，就会被时代所淘汰。1.3.3 1.3.3 仿真技术的在自动控制系统设计中的仿真技术的在自动控制系统设计中的 应用现状和发展趋势应用现状和发展趋势 1 1、向更加广阔的时空发展、向更加广阔的时空发展 2 2、向模型更加准确方向发展向模型更加准确方向发展 3 3、向虚拟现实技术发展、向虚拟现实技术发展 向高技术智能化一体化方向发展向高技术智能化一体化方向发展 1.4 MATLAB1.4 MATLAB语言及其在控制系统设计中的语言及其在控制系统设计中的应用应用 MATLAB MATLAB是由美国的是由美国的Math WorksMath Wor

11、ks公司推出的一个科技公司推出的一个科技应用软件。应用软件。 MATLAB MATLAB最显著的特点就是：功能强大、易学易用。最显著的特点就是：功能强大、易学易用。它通常被称为演算纸式的科学工程计算语言。它通常被称为演算纸式的科学工程计算语言。 目前，目前，MATLABMATLAB已经成为国际上最为流行的科学与工已经成为国际上最为流行的科学与工程计算软件之一。以其模块化的计算方法、可视化与智能程计算软件之一。以其模块化的计算方法、可视化与智能化的人机交互功能、丰富的矩阵运算、图形绘制和数据处化的人机交互功能、丰富的矩阵运算、图形绘制和数据处理函数，以及它所附带的模块化图形组态的动态系统仿真理函

12、数，以及它所附带的模块化图形组态的动态系统仿真工具工具SimulinkSimulink，MATLABMATLAB已经成为控制系统设计和仿真领已经成为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件。域最受欢迎的软件。一、一、MATLABMATLAB语言的发展语言的发展 matlabmatlab语言是由美国的语言是由美国的Clever MolerClever Moler博士于博士于19801980年年开发的。开发的。 设计者的初衷是为解决设计者的初衷是为解决“线性代数线性代数”课程的矩阵课程的矩阵运算问题。运算问题。 取名取名MATLABMATLAB即即Matrix Laboratory Matrix La

13、boratory 矩阵实验室的意矩阵实验室的意思。思。11/1/20211.4MATLAB1.4MATLAB语言及其在控制系统设计中的应用语言及其在控制系统设计中的应用MATLABMATLAB已经不仅仅是一个已经不仅仅是一个“矩阵实验室矩阵实验室”了，了，它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富的提供了丰富的WindowsWindows图形界面设计方法。图形界面设计方法。MATLABMATLAB语言是功能强大的计算机高级语言语言是功能强大的计算机高级语言, , 它它以超群的风格与性能风靡全世界以超群的风格与性能风靡全世界, , 成功地应用于

14、成功地应用于各工程学科的研究领域。各工程学科的研究领域。11/1/2021MATLABMATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一算机语言之一 (C, FORTRANFormula Translation (C, FORTRANFormula Translation的的缩写，意为缩写，意为“公式翻译公式翻译”, ASSEMBLER”, ASSEMBLER汇编语言汇编语言, , MATLAB)MATLAB)。近年来，近年来，MATLABMATLAB语言已在我国推广使用，现在语言已在我国推广使用，现在已应用于各学科研究部门和许多高等院校。已应用于各学

15、科研究部门和许多高等院校。MATLABMATLAB语言不受计算机硬件的影响，语言不受计算机硬件的影响，286286以上的以上的计算机都可以使用。计算机都可以使用。11/1/20212020世纪世纪80 80 年代初期，由年代初期，由 Cleve Moler Cleve Moler 和和 John Little John Little采用采用 C C 语言语言改写了改写了MATLAB MATLAB 的内核。成立了的内核。成立了 Mathworks Mathworks 软件开发公司，并软件开发公司，并于于1984 1984 年将年将 MATLAB MATLAB 正式推向市场。正式推向市场。1992

16、1992年初推出了应用于年初推出了应用于 Windows Windows 的的 MATLAB 4.0 MATLAB 4.0 版本。版本。19941994年初推出了年初推出了Matlab 4.2Matlab 4.219971997年推出年推出 5.1 5.1 版本。版本。19981998年推出年推出 5.2 5.2 版本。版本。19991999年推出年推出 MATLAB 5.3 MATLAB 5.3 版本版本(Release 11)(Release 11)20002000年又推出了更为简便易学的年又推出了更为简便易学的 MATLAB 6.0 MATLAB 6.0 版本版本(Release 12)

17、(Release 12)20032003年推出年推出Matlab6.5.1 (Release 13)Matlab6.5.1 (Release 13)20042004年推出年推出Matlab7.0 (Release 14)Matlab7.0 (Release 14)20072007年年3 3月月1 1日发布日发布Matlab 2007a(Matlab 2007a(支持多核操作支持多核操作) )20082008年年1010月月9 9日发布日发布MATLAB 2008bMATLAB 2008b20092009年年9 9月月4 4日日Matlab R2009b Matlab R2009b 201020

18、10年年3 3月月5 5日发布了日发布了Matlab R2010a(Matlab7.10)Matlab R2010a(Matlab7.10)二、matlab的应用领域 工业研究与开发工业研究与开发 数学教学，特别是线性代数数学教学，特别是线性代数 数值分析和科学计算方面的教学与研究数值分析和科学计算方面的教学与研究 电子学、控制理论和物理学等工程和学科方面的电子学、控制理论和物理学等工程和学科方面的教学与研究教学与研究 经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领经济学、化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究域中的教学与研究11/1/20210123456-1-0.8-0.6-0.4

19、-0.200.20.40.60.8111/1/2021例、用简短命令计算并绘制在例、用简短命令计算并绘制在0 0 x x 6 6范围内的范围内的sin(2x)sin(2x)、sinx2sinx2、sin2xsin2x。x=linspace(0,6)x=linspace(0,6)y1=sin(2y1=sin(2* *x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2;x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2;plot(x,y1,x, y2,x, y3)plot(x,y1,x, y2,x, y3) 阶梯图阶梯图11/1/202111/1/2021用四种方法描述用四种方法描述cos

20、(x)cos(x)* *sin(y)sin(y)图形图形- 505- 4- 2024- 1- 0 .500 .51- 4- 2024- 4- 3- 2- 10123411/1/202111/1/2021二、二、MATLABMATLAB语言的特点语言的特点 语言简洁紧凑，语法限制不严，程序设计语言简洁紧凑，语法限制不严，程序设计 自由度大，可移植性好自由度大，可移植性好 运算符、库函数丰富运算符、库函数丰富 图形功能强大图形功能强大 界面友好、编程效率高界面友好、编程效率高 扩展性强扩展性强11/1/2021三、三、MATLAB语言的功能语言的功能强大的数值（矩阵）运算功能强大的数值（矩阵）运算

21、功能广泛的符号运算功能广泛的符号运算功能高级与低级兼备的图形功能（计算结果的可视化高级与低级兼备的图形功能（计算结果的可视化功能）功能）可靠的容错功能可靠的容错功能应用灵活的兼容与接口功能应用灵活的兼容与接口功能信息量丰富的联机检索功能信息量丰富的联机检索功能11/1/2021MATLABMATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算的处理工具基于矩阵运算的处理工具。变量变量 矩阵矩阵，运算，运算 矩阵的运算矩阵的运算例如例如 C = A + B C = A + B ，A,B,CA,B,C都是矩阵都是矩阵, ,是矩阵的加是矩阵的加运算运算即使一个常数，

22、即使一个常数，Y=5Y=5，MATLABMATLAB也看做是一个也看做是一个1 1的矩阵的矩阵2.符号运算功能符号运算功能符号运算即用字符串进行数学分析符号运算即用字符串进行数学分析允许变量不赋值而参与运算允许变量不赋值而参与运算用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、用于解代数方程、微积分、复合导数、积分、二重积分、有理函数、微分方程、泰乐级数展二重积分、有理函数、微分方程、泰乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号解开、寻优等等，可求得解析符号解. .11/1/2021具有高层绘图功能具有高层绘图功能两维、三维绘图两维、三维绘图具有底层绘图功能具有底层绘图功能句柄绘图句柄绘图使用使用plotp

23、lot函数可随时将计算结果可视化函数可随时将计算结果可视化11/1/2021动态系统进行建模、仿真和分析的软件包动态系统进行建模、仿真和分析的软件包用结构图编程，而不用程序编程用结构图编程，而不用程序编程只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能只需拖几个方块、连几条线，即可实现编程功能。11/1/202111/1/2021MATLABMATLAB主工具箱主工具箱符号数学工具箱符号数学工具箱SIMULINKSIMULINK仿真工具箱仿真工具箱控制系统工具箱控制系统工具箱信号处理工具箱信号处理工具箱图象处理工具箱图象处理工具箱通讯工具箱通讯工具箱系统辨识工具箱系统辨识工具箱神经元网络工具箱神经元网络工具箱金融工具箱金融工具箱11/1/202111/1/2021许多学科，在许多学科，在MATLABMATLAB中都有专用工具箱，现已有中都有专用工具箱，现已有3030多个工具箱，但多个工具箱，但MATLABMATLAB语言的扩展