第一章 計算機輔助設(shè)計與仿真技術(shù)概述

MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院應(yīng)用電子工程系康勇李勛二00一年十一月通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(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)。課程任務(wù)學(xué)時安排與考試形式

總學(xué)時：32（其中上機學(xué)時12）

考試方式：上機操作第一章計算機仿真和輔助設(shè)計概述（1）

第二章MATLAB語言基礎(chǔ)（5）

第三章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與建模（4）

第四章控制系統(tǒng)的分析方法（4）

第五章SIMULINK仿真基礎(chǔ)（6）教學(xué)內(nèi)容參考書目《MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計》機械工業(yè)出版社，1997年，魏克新《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》機械工業(yè)大學(xué)出版社，1999年，張曉華《反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與分析——MATLAB語言應(yīng)用》清華大學(xué)出版社，2000年，薛定宇《基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計——控制系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社，1999年，樓順天《MATLAB5.X應(yīng)用與技巧》，科學(xué)出版社，1999年，蒙以正《MATLAB5.X入門與應(yīng)用》，科學(xué)出版社，1999年，柳承茂《MATLAB電子仿真與應(yīng)用》，國防工業(yè)出版社，2001年，韓竹利CH1、計算機仿真和輔助設(shè)計概述第一節(jié) 計算機仿真和輔助設(shè)計的基本概念一、初識控制系統(tǒng)計算機仿真和輔助設(shè)計例exp1_1.m例exp1_2.m/exp1_3.m/exm1_2.mdl二、計算機輔助設(shè)計與仿真的概念1、計算機輔助設(shè)計的概念計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)是利用計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和處理數(shù)據(jù)的能力，結(jié)合設(shè)計者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計進程、縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的技術(shù)。說明：計算機輔助設(shè)計從廣義上來講它包含了計算機仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作是利用計算機的運算能力來處理設(shè)計者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2、計算機仿真的概念仿真的定義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(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機仿真的定義計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進行分析與研究的方法。1、模型的定義模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識事物的一種手段或工具。2、模型的分類（1）物理模型指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）數(shù)學(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。三、計算機仿真模型（3）仿真模型指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機可以實施的模型。四、計算機仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）

1、三要素（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機：工具與手段

2、基本步驟包括三個基本的內(nèi)容：建模 仿真實驗結(jié)果分析第二節(jié) 仿真的分類一、按模型分類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。二、按計算機類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機上進行的實驗研究。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計算機的核心是運算部分，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要部件所構(gòu)成。2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算方法所進行的仿真實驗。60年代計算與仿真的精度較高。理論上計算機的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計，因此其仿真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素影響，其精度也不易定得太高。對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實驗的自動化程度較高，可方便地實現(xiàn)顯示、打印等功能。計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會在不同程度上有所改進與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計人員用高級程