文献综述串级控制系统计算机辅助设计

1、串级控制系统计算机辅助设计XX大学计算机科学与信息工程学院自动化专业XX级XX指导教师：XX大学 XX摘要：串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案，随着现代科技 的迅速展，我们也拥有了更多更好的方法去设计和控制一个系统，计算机辅助设计和仿真 就是两种非常实用的技术。本文介绍了计算机辅助设计技术的由来及发展情况，控制领域 取得的理论成果，通过与其它语言对比，突出MATLAB的特点及其深受欢迎的原因，详细阐 述仿真技术的硬件、软件发展和计算机仿真的一般过程。关键词：串级控制系统计算机辅助设计仿真技术Cascade Control System Computer Aided Des

2、ignCao shiyangAutomation， Computer Science and Information Engineering CollegeChongqing Technology and Business UniversityTeacher： Deng LiAbstract: Cascade control system is to improve and enhance quality control of a very effective control program,with the rapid exhibition of modern science and tec

3、hnology,we also have more and better ways to design and control a system, computer-aided design and simulation is two very practical technology.This paper introduces the computer-aided design technolo- gy,the origin and development of control theory to obtain results, by contrast with other language

4、s,highlighting the features of MATLAB and its reasons for the popularity of detailed simulation technology hardware, software development and computer simulation the general process.Key words: Cascade Control System， Computer， Simulation Technology研究背景自动化技术是信息科学与技术的一个重要分支。自20世纪90年代以来，自动化技术迅速 发展，已成为高

5、科技学科的重要组成部分，自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一 个重要标志。过程控制(process control)通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工 业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部 分。从控制的角度出发，可以把工业分成三类：连续型、离散型和混合型。习惯上，把连续 型工业称为过程工业(process industry)，有时为突出其流动的性质也称为流程(fluid process industries) 0在连续型工业过程中，包括了连续的信息流、物质流和能量流。过 程控制技术正在为实现现代工业生产过程中各种最优的技术经济

6、指标、提高经济效益和劳动 生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。控制系统计算机辅助设计技术的发展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，控制器的设 计也越来越困难，这样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的计算机辅助设计(computer-aided control system design， CACSD)方法。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

7、水平，并一直受到控制界的 普遍重视。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(Control Systems Society， CSS)的控制系统杂志(Control Systems 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，美 国著名学者Jamshidi与Herget分别于1985年和1992年出版了两本著作来展示CACSD领域 的最新进展。在如国际自动控制联合会世界大会(IFAC World Congress) 美国控制会议(American Control

8、 Conference， ACC) 及 IEEE 的控制与决策会议(Conference on Control and Decision，CDC)等各种国际控制界的重要学术会议上都有有关CACSD的专题会议及各种研讨 会，可见该领域的发展是异常迅速的。控制系统计算机辅助设计又常常称作计算机辅助控制 系统工程(computer-aided control system engineering， CACSE)。近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，出现了很多优秀的计算机应用软件，在控制系 统的计算机辅助设计领域更是如此，各类CACSD软件频繁出现且种类繁多，有的是用FORTRAN 语言编写的软件包

9、，有的是人机交互式软件系统，还有专用的仿真语言，在国际控制界广泛 使用的这类软件就有几十种之多。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、最有影响力的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。MATLAB语言简介控制系统计算机辅助设计(CACSD)从成为一门单独的学科以来至今已有二十多年的历史， 在其发展过程中出现另外各种各样的使用工具和理论成果oMATLAB语言的出现不但对CACSD 算法的研究，也对其它CACSD软件环境的开发起到了巨大的推动作用，它已成为国际控制界 应用最广的语言和工具了。和其它程序设计语言相比，MATLAB语言有如下优势：简洁高效性

10、：MATLAB程序设计语言集成度高，语句简洁，往往用C/C+等程序设计语言 编写的数百条语句，用MATLAB语言一条语句就能解决问题，其程序可靠性高、易于维 护，可以大大提高解决问题的效率和水平。科学运算功能：MATLAB语言以矩阵基本单元，可以直接用于矩阵运算。另外，最优化问 题、数值微积分为题、微分方程数值解问题、数据处理问题等都能直接用MATLAB语言 求解。绘图功能:MATLAB语言可以用最直观的语句将实验数据或计算结果用图形的方式显示出 来，并可以将以往难以显示出来的隐函数直接用曲线绘制出来。MATLAB语言还允许用户 用可视的方式编写图形用户界面，其难易程度和Visual Basi

11、c相仿，这使得用户可以 容易的利用该语言编写通用程序。庞大的工具相遇模块集：MATLAB是被控制界的学者“捧红”的，是控制界通用的计算机 语言，在应用数学及控制领域几乎所有的研究方向均有自己的工具箱，而且由领域内知 名专家编写，可信度比较高。随着MATLAB的日益普及，在其他工程领域也出现了工具 箱，这也大大促进了 MATLAB语言在各个领域的应用。强大的动态系统仿真功能：Simulink提供的面向框图的仿真及概念性仿真功能，使得用 户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析。Simulink的概念性仿真模块 集允许用户在一个框架下对含有控制环节、机电环节和电子、机电环节的机电一体化系

12、统进行建模与仿真，这是目前其它计算机语言无法做到的。计算机仿真技术的发展概况仿真技术简介仿真就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究。它所遵循的基本原 则是相似原理，即几何相似、环境相似和性能相似。根据这个原理，仿真可分为物理仿真、 数学仿真和混合仿真。物理仿真就是应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小或较大的物理 模型进行实验研究。它由软硬件仿真环境、动画、图形显示、输出打印设备等组成。在仿真 研究中，数学仿真只要有一台数字仿真设备就可以对不同的控制系统进行仿真实验和研究， 而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是被控系统的建模、控制方式的确 立

13、和计算机编程。而物理仿真则需要进行大量的设备制造、安装、接线及调试工作，其投资 大、周期长、灵活性差、改变参数困难、模型难以重复使用，且实验数据处理不方便。数学 仿真实验所需的时间比物理仿真大大缩短，实验数据的处理也比物理仿真简单得多。但由于 物理仿真具有信号连续、运算速度快、直观形象、可性度高等特点，故至今仍然广泛使用。 混合仿真有成物理-数学仿真，它是把数学仿真、物理仿真和实体结合起来，也就是将系统 的一部分描述成数学模型，放入计算机，而其余部分则构建其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 者半物理仿真。由于数学仿真的

14、主要工具是计算机，因此一般又称为“计算机仿真”。计算机仿真根据被 研究系统的特征可分为两大类：连续系统仿真及离散事件系统仿真。前者可对系统建立用微 分方程或差分方程描述的数学模型，并将其放在计算机上进行试验；后者面对的是有某种随 机事件驱动引发的系统的数学模型(通常用流程图或网络图描述)，并将它放在计算机上进行 试验。计算机仿真能够为许多实验提供方便、灵活的数学模型，因此，凡是可以用模型进行 实验的，几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统本身的各种特性，选择最佳参数和设计 最合理的系统方案。计算机仿真的一般过程可描述如下：根据仿真的目的确立仿真方案根据仿真目的确立相应的仿真结构和方法，规定仿真

15、的边界条件与约束条件。建立系统的数学模型对于简单的系统，可以通过某些基本定律来建立数学模型。而对于复杂的系统，则必须利 用实验方法通过系统识别技术来建立数学模型数学模型是系统仿真的依据，所以数学模型 的准确性十分重要。建立仿真模型就连续系统而言，就是通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化处理，即建立相应的 差分方程。编写仿真程序对于非实时仿真，可用一般高级语言或仿真语言。对于快速的实时仿真，往往需要用汇编 语言。进行仿真实验设定实验环境、条件、进行实验，并记录仿真数据。仿真结果分析根据实验要求和仿真目的对仿真结果进行分析处理，以便修正数学模型、仿真模型及仿真 程序，或者修正/改变原型系统，以

16、进行新的实验。模型是否能够正确的表示系统，并不 是一次完成的，而是需要比较模型和实际系统的差异，再通过不断的修正和验证完成。 通常，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它涉及系统识别技术问题，又称 为建模问题。将数学模型转化为可以在计算机上运行的仿真模型，称为二次模型化，它涉 及仿真编程、运行、修改参数等技术，故称之为系统仿真技术。硬件发展计算机仿真技术的发展，就硬件而言，大致经历了以下几个阶段。20世纪40年代出现了模拟计算机，这时的计算机大都是用来设计飞机的专用计算机。20 世纪50年代初，出现了通用的模拟计算机。20世纪50年代末，数字计算机有了很大发展， 加上这一时期在微分方程

17、数值解的理论方面又有很大的发展，所以在几种高级语(如FORTR- AN,ALGOL等)出现以后，在20世纪50年代末期，数字计算机便在非实时仿真方面开始得 到广泛的应用，用来解决导弹轨迹的计算问题。20世纪60年代初期，出现了混合计算机商 品。近年以来，由于计算机技术的飞速发展，数字计算机已有可能解决高速动态系统的实时仿 真问题，所以模拟/数字混合计算机将被数字计算机所取代。软件发展在计算机硬件飞速发展的同时，仿真软件也有很大的发展。近几十年来，仿真软件充分 吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、系统工程、自动控制、 人工智能等技术成果，从而得到了很大发展。仿真软件也从初

18、期的机器代码，经历较高级的 编程语言、面向问题描述的仿真语言，发展到模块化概念，并进而发展到面向对象编程、图 形化模块变成等。人机环境也由初期的图形支持，到动画、交互式仿真，进一步发展到矢量 的图形支持，并向虚拟现实发展。仿真软件的发展基本经历了以下5个阶段。通用程序设计语言1960年左右的FORTRAN，以及具有适应并行处理功能的Ada，C+等语言。初级仿真语言阶段19601970年面向框图的MIDAS；面向大型连续系统的仿真规范的CSSL(Continuous System Simulation Language)； CSMP(Continuous System Modeling Program)； 基于差分方程模 型的 DYNAMO(Dynamic Models)；基于离散事件的SIMLIB和 CSL(Control and Simulation Language) ；还有以过程为基础的通用仿真系统GPSS(General purpose Simulation System)等。高级仿真语言阶段19701980年商用的连续系统仿真语言SSLIV，DA