控制系統(tǒng)仿真

1、控制系統(tǒng)仿真,課程任務(wù),通過本課程的學(xué)習(xí)，初步掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，結(jié)合所學(xué)課程自動控制原理，學(xué)會運用MATLAB語言進行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計的基本技能，為今后從事科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ),第1章 控制系統(tǒng)及仿真概述,控制系統(tǒng)仿真是近20年來發(fā)展起來的一門新興技術(shù)學(xué)科。它已成為對控制系統(tǒng)進行分析、設(shè)計和綜合研究中一種很有效的手段。特別是在計算機高度發(fā)達的今天，所研究設(shè)計的控制系統(tǒng)日益復(fù)雜化，控制任務(wù)多樣化，而控制要求也越來越高，利用計算機來進行仿真實驗和研究，以及進一步進行計算機控制就成為從事控制及相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員所必須掌握的一項技術(shù),1.1自動控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)

2、用,1.1.1 電力拖動自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用 1.1.2 工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用,1.2 控制系統(tǒng)計算機仿真的基本概念,1.2.1 控制系統(tǒng)計算機仿真 控制系統(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算數(shù)學(xué)與計算機技術(shù)的綜合性新型學(xué)科。以下介紹幾個有關(guān)系統(tǒng)計算機仿真的概念,系統(tǒng)：不同的領(lǐng)域?qū)τ谙到y(tǒng)的含義有不同的解釋。在控制工程中，系統(tǒng)的定義為：物質(zhì)世界中相互制約又相互聯(lián)系著的、以期實現(xiàn)某種目的的一個運動整體。如果系統(tǒng)用于自動控制，則稱之為自動控制系統(tǒng),模型：是對所要研究的系統(tǒng)在某些特定方面的抽象。分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩種。 數(shù)學(xué)模型分為機理模型、統(tǒng)計模型和混合模型,溫度控制系統(tǒng),系統(tǒng)仿真：

3、是以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機為工具對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。 仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認識。它所遵循的基本原則是相似性原理,試驗的方案有兩種： 一種是直接在真實系統(tǒng)上進行。 另一種則是按真實系統(tǒng)的“樣子”構(gòu)造一個模型，在模型上進行,1. 按仿真模型的種類劃分 （1）物理仿真 （2）數(shù)學(xué)仿真 （3）數(shù)學(xué)-物理仿真,1）物理仿真： 采用物理模型，有實物介入！ 具有效果逼真，精度高等優(yōu)點，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)等），具有實時性、在線的特點,2）數(shù)學(xué)仿真：采用

4、數(shù)學(xué)模型 在計算機上進行，具有非實時性、離線的特點，經(jīng)濟、快速、實用。 （3） 數(shù)學(xué)-物理仿真： 將系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型以及部分實物有機地組合在一起進行實驗研究，稱之為數(shù)學(xué)物理仿真，也稱為半實物仿真,2. 按系統(tǒng)隨時間變化的狀態(tài)分類,1）連續(xù)系統(tǒng)仿真。 系統(tǒng)的輸入輸出信號均為時間的連續(xù)函數(shù)，可用一組數(shù)學(xué)表達式來描述，例如采用微分方程、狀態(tài)方程等。 （2）離散事件系統(tǒng)仿真。 系統(tǒng)的狀態(tài)變化只是在離散時刻發(fā)生，且由某種隨機事件驅(qū)動，稱之為離散事件系統(tǒng),系統(tǒng),模型,建立仿真模型,建立數(shù)學(xué)模型,仿真實驗,結(jié)果分析,計算機,1.2.2 控制系統(tǒng)計算機仿真的過程,1. 根據(jù)仿真目的確定仿真方案 2.

5、建立自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)輸入、輸出變量以及內(nèi)部各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。 最常用的基本數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程,3 . 建立自動控制系統(tǒng)的仿真模型 原始控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如微分方程、差分方程等，還不能直接用來對系統(tǒng)進行仿真，應(yīng)該將其轉(zhuǎn)換為能在計算機中對系統(tǒng)進行仿真的模型,對于連續(xù)系統(tǒng)而言，將微分方程這樣的原始數(shù)學(xué)模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換，求得控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，以傳遞函數(shù)模型為基礎(chǔ)，將其等效變換為狀態(tài)空間模型，這些模型都是系統(tǒng)的仿真模型,對于離散系統(tǒng)而言，將差分方程經(jīng)z變換轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字控制器模型即可,4編制自動控制系統(tǒng)的仿真程序 對

6、于非實時系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級語言，例如Basic、Fortran 或C 語言等編制系統(tǒng)的仿真程序；對于快速、實時系統(tǒng)的仿真，往往采用匯編語言編制仿真程序,目前，采用MATLAB 仿真比較普遍。利用MATLAB 的TOOLBOX 工具箱及其Simulink 仿真集成環(huán)境作仿真工具，來研究和分析控制系統(tǒng)是非常方便的,5在計算機上進行仿真實驗并輸出仿真結(jié)果。 首先，將編制好的仿真程序輸入到計算機中，并給定仿真的初始參數(shù)；然后進行仿真實驗并對仿真模型與仿真程序作相應(yīng)的檢驗和修改，再按照系統(tǒng)仿真的要求將得到的系統(tǒng)仿真最終結(jié)果通過相應(yīng)設(shè)備以數(shù)據(jù)、曲線、圖形等方式輸出；最后，進行仿真總結(jié)，提交系統(tǒng)仿

7、真的報告,1.3 控制系統(tǒng)MATLAB計算與仿真,1.3.1 先進的軟件MATLAB MATLAB語言是美國Math Works公司于20世紀80年代推出的高性能數(shù)值計算軟件，MATLAB 語言源于線性代數(shù)中的數(shù)學(xué)運算，它不同于其他的計算機高級語言，MATLAB語言最初是基于矩陣的運算工具，這也是其名稱MATLAB(MATrix LABoratory)的由來。MATLAB 語言已成為當(dāng)今全世界流行的一種優(yōu)秀的計算機語言,1. MATLAB語言功能強大，適用范圍廣泛。 2. MATLAB語言編程效率高。MATLAB語言提供了豐富的內(nèi)部函數(shù)。 3. MATLAB語言界面友好，用戶使用方便。MATLAB 語言擁有友好的界面與易學(xué)易懂的幫助系統(tǒng)。 4. MATLAB語言具有很強的擴充能力,5. 語句簡單，內(nèi)涵豐富。 MATLAB最基本的語句結(jié)構(gòu)是賦值語句，語句的一般形式為： 變量名列表=表達式 6. MATLAB語言具有強大的圖形處理和符號運算功能,7. MATLAB的活筆記本功能 MATLAB的Notebook把Microsift Word與MATLAB集成為一個整體，為文字處理、科學(xué)計算、工程設(shè)計構(gòu)造了一個完美統(tǒng)一的工作環(huán)