第一章控制系统绪论

1、大学名称或校徽大学名称或校徽WWW.SOPPT.CN控制系统设计与仿真控制系统设计与仿真Control System Design and SimulationQQ: 10600219办公室：新校区机电楼办公室：新校区机电楼A 511A 511Email:daiyu_主讲人：戴主讲人：戴 瑜瑜*大学大学WWW.SOPPT.CN总学时总学时 24、讲授学时、讲授学时 24、课程学分、课程学分1.5；主要教材：主要教材：控制系统控制系统MATLAB仿真与设计仿真与设计 杨佳等编著，清华大学出版社，杨佳等编著，清华大学出版社，2012参考书籍：参考书籍：计算机仿真技术与计算机仿真技术与CAD基于基于

2、MATLAB的控制系统的控制系统 李国勇李国勇 主编，电子工业出版社，主编，电子工业出版社，2012MATLAB控制系统仿真与设计控制系统仿真与设计赵景波编著，赵景波编著， 机械工业出版社，机械工业出版社，2010控制系统仿真与计算机辅助设计控制系统仿真与计算机辅助设计薛定宇著，机械工业出版社，薛定宇著，机械工业出版社，2009上课时间上课时间 ：1-6周周 评分细则：考试评分细则：考试 70%，平时，平时 30% 教 学 安 排 考试方式：考试方式：笔试笔试*大学大学WWW.SOPPT.CN课 程 安 排 绪绪 论论1控制系统计算机辅助设计软件控制系统计算机辅助设计软件2 控制系统计算机辅助

3、分析控制系统计算机辅助分析3控制系统应用设计与仿真实例控制系统应用设计与仿真实例5 控制系统计算机辅助设计控制系统计算机辅助设计4*大学大学WWW.SOPPT.CN 绪绪 论论1控制系统计算机控制系统计算机 辅助设计软件辅助设计软件2课 程 安 排控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述计算机仿真概念及其实现计算机仿真概念及其实现MATLAB程序设计基础：程序设计基础：数据结构、语句结构、基本数据结构、语句结构、基本控制流程结构、控制流程结构、M函数设计、函数设计、图形可视化等图形可视化等SIMULINK动态仿真：动态仿真：建模基础知识、建模与仿真、建模基础知识、建模与仿真、子系统

4、与模块封装、函数编写子系统与模块封装、函数编写及其应用等及其应用等*大学大学WWW.SOPPT.CN 控制系统控制系统计算机辅助分析计算机辅助分析3课 程 安 排控制系统数学模型控制系统数学模型线性系统时域分析线性系统时域分析线性系统频率分析线性系统频率分析线性系统稳定性分析线性系统稳定性分析*大学大学WWW.SOPPT.CN 控制系统计算机控制系统计算机辅助设计辅助设计4课 程 安 排基于传递函数的控制器设计基于传递函数的控制器设计基于状态空间模型的控制器设计基于状态空间模型的控制器设计PID控制器设计控制器设计最优控制器设计最优控制器设计模糊控制器设计模糊控制器设计*大学大学WWW.SOP

5、PT.CN控制系统应用设计控制系统应用设计与仿真实例与仿真实例5课 程 安 排汽车运动控制系统设计汽车运动控制系统设计直流电动机以闭环拖动系统的直流电动机以闭环拖动系统的建模与仿真建模与仿真半实物仿真系统及其应用半实物仿真系统及其应用*大学大学WWW.SOPPT.CN课 程 寄 语开设这门课的目的以及学习这门课的重要性： 怎样学好这门课： *大学大学WWW.SOPPT.CN第一章 绪 论控制系统计算机辅助设计概述控制系统计算机辅助设计概述计算机仿真概念及其实现计算机仿真概念及其实现*大学大学WWW.SOPPT.CN基本概念 仿真仿真为了对实际系统进行分析研究，构建实际系统的物理模型或数学模型，

6、然后在模型上进行试验，将试验结果应用到实际系统中，这一过程就称为仿真。根据给定的系统性能指标的要求，借助计算机进行控制系统的分析设计。控制系统计算机辅助设计（控制系统计算机辅助设计（CS-CAD）*大学大学WWW.SOPPT.CN1.1 控制系统计算机辅助设计概述CS-CADCS-CAD发展综述发展综述 早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如 Ziegler 与 Nichols 于1942年提出的 PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。 随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统

7、的计算机辅助设计 方法（Computer-aided control system design, CACSD）。从事控制系统设计分析的人员常常会面临巨大琐碎的计算量，如果能借助计算机本身强大的计算和绘图功能，以及系统仿真的软件平台，可大大提高系统分析和设计的效率。*大学大学WWW.SOPPT.CN1.1 控制系统计算机辅助设计概述CS-CADCS-CAD发展综述发展综述 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。n 早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(Control Sys

8、tems Magazine)和IEEE学会的科研报告集(Proceedings of IEEE)分别第一次出版了关于CACSD的专刊；n 近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD 软件频繁出现且种类繁多，MATLAB 语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。*大学大学WWW.SOPPT.CN1.1 控制系统计算机辅助设计概述CSCADCSCAD发展综述发展综述 CSCAD是目前对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研

9、究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程是设计实验修改设计再实验的过程。 *大学大学WWW.SOPPT.CN 显然，控制系统计算机辅助设计与控制系统计算机仿真之间有着密不可分的关系，在系统设计阶段进行的计算机仿真实际就是计算机辅助设计工作的一部分。 控制系统计算机仿真就是以控制系统的数学模型为基础，借助计算机对控制系统的动态特性进行实验研究。这一过程包括： 建立数学模型； 根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数； 对系统校正前后进行仿真，并验证控制器的实际控制效果； 修改控制器参数或结构，直到仿真结果满足设计要求。1.1 控制系统计算机辅助设计概述CSC

10、ADCSCAD仿真仿真*大学大学WWW.SOPPT.CN1.2 计算机仿真概念及其实现特点特点： 整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。 相关性：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。 层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构。 目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须具有 一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。所谓“系统”是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标。系统系统*大学大学WWW.SOPPT.CN1.2 计算机仿真概念及其实现分类：根据系统物理特征，可分为两大类：分类：根据系统物理特征，可

11、分为两大类： 工程系统：如机械、电气、化工、热力等； 非工程系统：如经济、交通、管理、生态等。系统系统三要素：实体、属性、活动三要素：实体、属性、活动 实体：组成系统的具体对象； 属性：实体的特性； 活动：对象随时间推移而发生的状态变化。*大学大学WWW.SOPPT.CN1.2 计算机仿真概念及其实现分类：分类： 物理模型：根据相似原理把实际系统加以缩小或放大的复制品， 如飞机模型放在与气流场相似的风洞中进行实验研究； 数学模型：用数学的形式对一个系统的行为、特征等进行描述， 保持了模型与原型之间信息传递规律的相似。 混合模型：物理数学模型，把数学仿真、物理仿真和实体结合起来， 将系统的一部分

12、描述成数学模型，放入计算机，其余部分则构建物理模型 或直接采用实体，组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中有部分 实物介入的混合仿真也称为半实物仿真或半物理仿真。对所要研究的系统在某些特定方面（如特征和变化规律）的 抽象，它通常是真实系统的一种简化。模型模型*大学大学WWW.SOPPT.CN1.2 计算机仿真概念及其实现根据模型种类不同，系统仿真可分为三种：根据模型种类不同，系统仿真可分为三种： 物理仿真：构建物理模型，并在物理模型上进行试验。 优点：直观、形象；缺点：周期长、投资高、结构难以更改。 数学仿真：在计算机上对系统的数学模型进行试验，又称计算机仿真。 优点：经济、方便、灵活性大。

13、 混合仿真：将数学模型与物理模型或实物联合在一起进行试验，即将系统的一部分描述成数学模型，采用计算机表达，而其余部分则构建其物理模型或直接采用实物，组成一个复杂的仿真系统。这种在计算机仿真环节中有部分实物介入的混合仿真也称为半实物仿真或半物理仿真。为了对实际系统进行分析研究，构建实际系统的物理模型或数学模型，然后在模型上进行试验，将试验结果应用到实际系统中，这一过程就称为“仿真”。仿真仿真*大学大学WWW.SOPPT.CN1.2 计算机仿真概念及其实现根据系统特征不同，可分为两类：根据系统特征不同，可分为两类： 连续系统仿真：可对系统建立用微分方程或差分方程等描述的数 学模型，并放入计算机进行

14、试验； 离散事件系统仿真：面对的是由某种随机事件驱动引发状态变化 的系统的数学模型（非数学方程式描述，通常用流程图或网络图 描述），并放入计算机上进行试验。仿真仿真*大学大学WWW.SOPPT.CN1.2 计算机仿真概念及其实现计算机仿真过程计算机仿真过程实际系统实际系统系统数学模型建立系统数学模型建立仿真模型建立仿真模型建立仿真程序设计与编写仿真程序设计与编写仿真试验仿真试验仿真结果分析仿真结果分析修改程序修改程序修改模型修改模型修改方案修改方案结果满足结果满足 要求否？要求否？YN程序问题？程序问题？YN方案问题？方案问题？Y1、明确系统，确定需要、明确系统，确定需要仿真的问题；仿真的问题

15、；2、建立系统数学模型，、建立系统数学模型，如微分方程组；如微分方程组；3、设计算法，使数学模、设计算法，使数学模型能为计算机所接受，型能为计算机所接受，能在计算机上运行；能在计算机上运行；4、算法语言加以描述，、算法语言加以描述，即编写程序，如即编写程序，如Basic、Fortran、C、Matlab等；等；5、运行仿真程序，、运行仿真程序，设置不同的初始条件或设置不同的初始条件或参数，对系统进行反复参数，对系统进行反复研究与分析；研究与分析；6、得到系统的性能评价；、得到系统的性能评价；7、验证仿真结果与实际、验证仿真结果与实际系统是否一致。系统是否一致。 根据仿真目根据仿真目的确定方案的

16、确定方案仿真结束仿真结束模型问题？模型问题？NY*大学大学WWW.SOPPT.CN计算机仿真技术的发展计算机仿真技术的发展1.2 计算机仿真概念及其实现20世纪世纪40年代：年代：出现模拟计算机，用于设计飞机的出现模拟计算机，用于设计飞机的专用计算机；专用计算机；20世纪世纪50年代：年代：出现通用模拟计算机；出现通用模拟计算机；20世纪世纪50年代末：年代末：数字计算机发展迅速，数字计算机发展迅速，1958年出年出现了第一台专用的模拟现了第一台专用的模拟/数字混合计算机，用来解数字混合计算机，用来解决导弹轨迹计算问题；决导弹轨迹计算问题；20世纪世纪60年代，年代，出现了混合计算机商品；出现

17、了混合计算机商品；近年来，近年来，计算机技术飞速发展，数字计算机仿真技计算机技术飞速发展，数字计算机仿真技术得到普及。术得到普及。*大学大学WWW.SOPPT.CN计算机仿真技术的发展计算机仿真技术的发展1.2 计算机仿真概念及其实现通用程序设计语言：通用程序设计语言：20世纪世纪60年代的年代的Fortran、Ada、C等语言；等语言；初级仿真语言阶段：初级仿真语言阶段：20世纪世纪50年代：年代：出现通用模拟计算机；出现通用模拟计算机；20世纪世纪50年代末：年代末：1060-1970年代，面向框图的年代，面向框图的MIDAS，面向大型，面向大型联系系统仿真规范的联系系统仿真规范的CSSL

18、、CSMP，基于微分方程模型的，基于微分方程模型的DYNAMO，基于离散事件的，基于离散事件的HMLIB、CSL，面向过程仿真系统，面向过程仿真系统GPSS等；等；高级仿真语言阶段：高级仿真语言阶段：1970-1980年代，商用连续系统仿真语言年代，商用连续系统仿真语言SSLV，离散事件系统仿真语言离散事件系统仿真语言GPSSIV、SIMCRIP、SLAM等；等；一体化建模与仿真环境软件：一体化建模与仿真环境软件：控制系统计算机辅助设计仿真软件控制系统计算机辅助设计仿真软件MATLAB，机械系统动力学仿真分析软件，机械系统动力学仿真分析软件ADAMS、RecurDyn等。等。*大学大学WWW.

19、SOPPT.CN计算机仿真技术的发展计算机仿真技术的发展1.2 计算机仿真概念及其实现硬件方面：硬件方面：基于多基于多CPU并行处理技术的全数字仿真系统，并行处理技术的全数字仿真系统，有效提高有效提高系统仿真速度，系统仿真速度，“实时性实时性” ；基于网络技术的分布式数字仿真系统基于网络技术的分布式数字仿真系统广泛应用。广泛应用。软件应用方面：软件应用方面：各种专家系统与智能化技术将更深入应用于仿真软各种专家系统与智能化技术将更深入应用于仿真软件开发中，在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想境件开发中，在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想境界；界；虚拟技术的不断完善，虚拟技术

20、的不断完善，虚拟技术是一种综合了计算机图形技术、虚拟技术是一种综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术和仿真技术等多学科发展的高多媒体技术、传感器技术、显示技术和仿真技术等多学科发展的高新技术，采用虚拟现实技术，置身于模拟系统中就如同身在真实环新技术，采用虚拟现实技术，置身于模拟系统中就如同身在真实环境中一样，达到最佳效果。境中一样，达到最佳效果。*大学大学WWW.SOPPT.CN计算机仿真的意义计算机仿真的意义1.2 计算机仿真概念及其实现1安全性安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因。安全性考虑一直是采用仿真技术的最主要原因。对于某些系统，如载人宇宙飞行器、载人潜水器、核电

21、站等，直接试验往往是危险和不允许的，因此必须首先在模型上进行试验。所以，航空、航天、武器系统是仿真技术应用的最主要领域，一直到现在仍然占有很大的比重。2经济性经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因。经济性考虑是采用仿真技术的十分重要的原因。对一个大型系统进行研究，采用物理模型或直接在实物上试验，成本十分昂贵。以空间技术为例，单次飞行的成本约为104108美元，采用数字计算机仿真的方法，仅需实际飞行成本的1/101/5 ，而且设备可以重复使用。可以说，几乎所有的大型发展项目，都十分重视仿真技术的应用，这是因为这些项目投资很大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以减小风险。*大学大学WWW.SOP

22、PT.CN计算机仿真的意义计算机仿真的意义1.2 计算机仿真概念及其实现3快捷性提高设计效率、缩短开发周期。4预测性在非工程系统中（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。利用仿真则可预测系统的特性和外作用的影响，从而研究控制的策略，可以获得对系统的某种超前认识。*大学大学WWW.SOPPT.CN计算机仿真技术的应用：系统分析与设计计算机仿真技术的应用：系统分析与设计1.2 计算机仿真概念及其实现系统设计过程中系统设计过程中利用仿真技术可以利用仿真技术可以帮助设计人员实现帮助设计人员实现系统的最优化设计系统的最优化设计新系统未建立之前新系统未建立之前运用系统仿

23、真技术运用系统仿真技术可以论证系统及其可以论证系统及其可行性，为准确进行可行性，为准确进行系统设计打下系统设计打下坚实基础。坚实基础。利用仿真技术可以利用仿真技术可以分析系统工作分析系统工作的状况，的状况，选择最佳运行参数选择最佳运行参数系统建成后系统建成后*大学大学WWW.SOPPT.CN世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机仿真技装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机仿真技术。这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降术。这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。低，而且确保了最终产品一次接装成功。利用虚拟利用虚拟样机仿真技术研究样机仿真技术研究宇宙飞船在不同阶