第8章 自动控制及其仿真概述

1、 8.2控制系统仿真概述 8.2.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念 8.2.2 计算机仿真模型 8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤 8.2.4 仿真的分类 8.2.5 仿真技术的应用及其意义简介 8.2.6 仿真技术的发展趋势 8.2.7 计算机仿真软件 8.2.8 相关网络资源 8.1.1 自动控制的基本概念 8.1.2 自动控制系统的基本形式及各自的特点 8.1.3 自动控制系统的分类 8.1.4 对自动控制系统的要求及性能评价 控制：在自动控制原理中，“控制”是指为了克服各种扰动的影响，达到预期的目标，对生产机械或过程中的某一个或某一些物理量进行的操作。 如我们在制作智能车的过程

2、中，对智能车电机的方向和速度的控制；或对机器人的控制等。再如神舟飞船的发射、飞船在轨运行时姿态的控制、飞船返回地面时测控雷达的控制等。这里涉及到被控变量的概念。如智能车电机的方向和速度即是被控变量，也称为被控量。 自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连接起来，完成某种自动控制任务的有机整体。其中起控制功能的装置称为控制器。 控制系统分类：在对被控量进行控制时，按系统中是否有人参与，可分为人工控制和自动控制。若由人来完成对被控量的控制，称为人工控制；若由自动控制装置代替人来完成这种操作，称为自动控制。也有从控制对象生产工艺过程的性质、特点出发，将控制系统分为两大门类：一类是以机械运动为主要

3、生产形式，以电动机为执行机构的“电力拖动自动控制系统”；另类是以化学反应或者热能转换为主要生产形式，以自动化仪表与装置为检测与执行机构的“工业生产过程控制系统”。 自动控制系统按其基本结构形式而言，可分为2种类型： 开环控制系统和闭环控制系统 开环控制系统及其特点：开环控制系统及其特点： 开环控制系统的特点是输出量即被控量不返回到系统的输入端 开环控制系统结构如图8.1：图8.1 开环控制系统结构图 由于在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，系统的被控变量对控制作用没有影响，系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度。因此，开环系统只有在输出量难于测量

4、且要求控制精度不高及扰动的影响较小或扰动的作用可以预先加以补偿的场合，才得以广泛应用。 对于开环控制系统，只要被控对象稳定，系统就能稳定地工作。 闭环控制系统及其特点闭环控制系统及其特点 闭环控制系统结构如图 实际的闭环控制系统可以简化如图8.2的方框图：图8.2闭环控制系统结构图 其中，r和y分别是系统的输入和输出信号，e为系统的偏差信号，b为系统的主反馈信号，假设参量G和H分别是前向通道和反馈通道的增益，亦即放大系数。 可得如下关系式： erbbHyyG e 通过整理，得到如下输入和输出的关系式： 1yGMrGH闭环控制系统的特点是： （1）利用负反馈的作用来减小系统误差。 由图可以看出，

5、系统输出量偏离期望值时，这个偏差将被检测出来，对控制作用产生影响，从而使系统具有自动修正被控量偏离的能力，减小了系统误差，较好地实现了自动控制的功能。 （2）能有效抑制被反馈通道包围的前向通道中各种扰动对系统输出量的影响。图8.3 扰动对系统影响 以图8.3为例，分别分析当系统为开环和闭环时，扰动对系统的影响： 系统开环时，输入为0时，系统输出为：y=k2*n； 系统为闭环时，输入为0时，有y=k2*n/1+k1k2H当1+k1k2H1时，闭环系统由扰动引起的输出减小了1+k1k2H倍，所以闭环系统具有抑制扰动的能力。（3）可减小被控对象的参数变化对输出量的影响。 首先给出系统灵敏度的定义：

6、系统增益M对于被控对象G变化的灵敏度定义为： 对实际控制系统，在人们关心的频率范围内，常有。可以说闭环控制系统对被控对象的灵敏度低于开环控制系统。正是由于闭环控制系统的这一特点，使得闭环控制系统对被控对象参数的要求不像开环控制系统那样苛刻。11MGMGSGMGH 系统增益M对于反馈装置增益H变化的灵敏度： 当GH很大时，上式约为1，这表明反馈装置增益H的变化将直接影响系统输出。因此，保持反馈装置参数不因环境的变化而变化是非常重要的。/1MGM MMHGHSH HHMGH （4）带来了系统稳定性的问题 在开环控制系统中，只要被控对象稳定，系统就能稳定工作。而在闭环控制系统中，输出信号被反馈到系统

7、输入端，与参考输入比较后形成偏差信号，控制器再按照偏差信号的大小对被控对象进行控制。在此过程中，由于控制系统的惯性，可能引起超调，造成系统的等幅或增幅振荡，使系统变成不稳定。从而产生了系统稳定性的问题。 （1）按信号流向分，可分为开环控制系统和闭环控制系统。 （2）按系统的输入信号划分可分为恒值控制系统（自动调节系统）、随动控制系统（伺服系统）和程序控制系统。 恒值控制系统的特点是输入信号为某个恒定不变的常数，要求系统的被控量尽可能保持在期望值附近。主要任务是抑制扰动。 随动控制系统的特点是输入信号随时间任意变化的函数，要求系统的输出信号紧紧跟随输入信号的变化。主要任务是提高跟踪能力。 程序控

8、制系统的特点是输入信号是事先确定的按一定规律变化的信号，编成程序存储在输入装置中，目的是使被控量按照设定的程序运动。 （3）按元器件特性分，可分为线性系统和非线性系统。 线性系统的元器件其输入输出特性均为线性的，系统输入和输出之间的关系可以用一个或一组线性微分方程来描述。 非线性系统：系统中只要有一个非线性元件即称为非线性系统。 （4）按微分方程系数的时变性划分 定常系统：描述系统特性的微分方程中各项系数都是与时间无关的常数，则称为定常系统。 时变系统：描述系统特性的微分方程中只要有一项系数是时间的函数，就称为时变系统。 （5）按信号的连续性分 连续系统：系统中所有元件的输入和输出信号都是随时

9、间连续变化的，信号的大小可任意取值的模拟量，称为连续系统。 离散系统：系统中有一处或多处信号是脉冲序列或数码。 （6）按输入输出数量分 单输入单输出系统（单变量系统）：系统的输入和输出均为一个。 多输入多输出系统（多变量系统）：系统的输入和输出多于一个。 对自动控制系统的基本要求可以归结为三个字：稳，准，快。（即稳定性，准确性和快速性） 稳：是对自动控制系统的最基本要求。它反映系统在受到扰动后恢复平衡状态的能力。 准：指系统在平衡工作状态下其输出量与其希望值的距离，即被控量偏离其希望值的程度，反映了系统对其希望值的跟踪能力。 快：系统的瞬态过程既要快速，又要平稳。8.2.1 计算机仿真和辅助设

10、计的基本概念8.2.2 计算机仿真模型8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤（内容） 8.2.4 仿真的分类8.2.5 仿真技术的应用及其意义简介8.2.6 仿真技术的发展趋势8.2.7 计算机仿真软件 8.2.8 相关网络资源 系统仿真以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。 利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。（说明：计算机辅助设计从

11、广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。） 仿真与计算机仿真： 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理；计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。 模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。模型可分为： （1）物理模型：指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。 （2）数学模型：是

12、从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。 （3）仿真模型：指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。 1. 计算机仿真的三要素为： （1）系统：研究的对象 （2）模型：系统的抽象 （3）计算机：工具与手段 仿真实验，结果分析系统模型计算机建立数学模型建立仿真模型 2. 基本步骤 由图8.4可知，仿真包括三个基本的内容：建模，仿真实验和结果分析。具体可用流程图（计算机仿真程序流程）表示，如图8.5。主要可以分成以下几步： （1）建立数学模型 控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。 系统的数学模型，是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数

13、学表达式。描述系统诸变量问静态关系的数学表达式，称为静态模型，描述自控系统诸变量间动态关系的数学表达式，称为动态模型。常用员基本的数学模型是微分方程与差分方程。（2）建立仿真模型 原始的自控系统的数学模型比如微分方程，并不能用来直接对系统进行仿真。还得将其转换为能够对系统进行仿真的模型。对于连续控制系统而言，有像微分方程这样的原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得自控系统传递函数数学模型。以传递函数模型为基础，等效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结构图模型，这些模型都是自控系统的仿真模型。 对于离散控制系统而言，有像差分方程这样的原始数学模型以及类似连续系统的各种模型，这些

14、模型都可以对离散系统直接进行仿真。 （3）编制自控系统仿真程序 对于非实时系统的仿真，可以用般的高级语言编制仿真程序。对于快速的实时系统的仿真，往往用汇编语言编制仿真程序。当然也可以直接利用仿真语言。 如果应用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其SIMULINK冰仿真集成环境作仿真工具这就是MATLAB仿真。控制系统的MATLAB仿真是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集。 （4）仿真实验并输出仿真结果 进行仿真实验，通过实验对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，而后按照系统仿真的要求输出仿真结果。问 题 的 阐 述设 置 目 标建 立 模 型仿 真 实 验 设 计编 程 序验 证 正 确

15、 与 否确 认运 行 分 析输 出 结 果是是否否 按模型分类，可分为物理仿真和数学仿真。 物理仿真：采用物理模型，有实物介入。具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长，大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具有实时性、在线的特点； 数学仿真：采用数学模型。在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。 按计算机类型分类，可分为模拟仿真，数字仿真，混合仿真和现代计算机仿真。 模拟仿真：50年代，采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。特点有：描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、结果可靠的

16、优点，但受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较困难，自动化程度低；模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的“模拟运算放大器”为主要部件所构成。 数字仿真：60年代，采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。其特点是：计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时间等因素影响，其精度也不易定得太高；对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能；计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”会在

17、不同程度上有所改进与提高；数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。 混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。 现代计算机仿真：80年代以来，采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。 1. 仿真技术在不同工程领域中有广泛的应用 (1) 航空与航天工业 飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。 飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。 (2) 电力工业 电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制等。 (3) 原子能工业 模拟核反应堆

18、核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。 (4) 石油、化工及冶金工业 (5)非工程领域，如医学，社会学，宏观经济与商业策略的研究。 2. 应用仿真技术的主要意义 (1) 经济性好 大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的1/101/5，而且设备可以重复使用。 (2) 安全性高 某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。 (3) 快捷性高 提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。 (4) 具有优化设计和

19、预测的特殊功能 对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能；在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。 (1) 硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。 (2) 应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。 (3) 分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。 (4) 虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人置身于真实环境之中。 仿真软件的发展 (1) 程序编程阶段 所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。 (2) 程序软件包阶段 在这一阶段出现了“应用子程序库”。 (3) 交互式语言阶段（仿真语言） (4) 模型化图形组态阶段 符合设计人员对基于模型图形化的描述。 以下是几种常用仿真软件： (1) PSPICE、ORCAD、PROTEUS