《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課件第1章

第1章緒論1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念1.2直流調(diào)速系統(tǒng)概況1.3交流調(diào)速系統(tǒng)概況1.4自動控制系統(tǒng)仿真基本概念1.5本課程的任務(wù)本章小結(jié)習(xí)題與思考題

1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念

1.1.1自動控制系統(tǒng)的一般概念

所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。例如，無人駕駛飛機(jī)按照預(yù)定的飛行航線自動升降和飛行，這是典型的自動控制技術(shù)應(yīng)用的結(jié)果。

何謂自動控制系統(tǒng)，為了說明這個概念，下面先簡單介紹一下自動控制理論中常用的幾個術(shù)語。

(1)被控對象：在自動控制技術(shù)中，通常把工作的機(jī)器設(shè)備稱為被控對象，如汽車、飛機(jī)以及煉鋼和化工生產(chǎn)中使用的鍋爐等。

(2)被控量：把表征機(jī)器設(shè)備工作狀態(tài)的物理參量稱為被控量，如電壓、電流、進(jìn)給量、爐溫等。

(3)給定輸入：對物理參量的要求值稱為給定值(給定輸入)或希望值(或參考輸入)；

(4)控制裝置：也稱為控制器，能起控制作用的設(shè)備裝置。控制器發(fā)出的控制輸出信號稱為控制量。

(5)系統(tǒng)：為達(dá)到某一目的，由相互制約的各個部分按一定規(guī)律組成的、具有一定功能的整體。

掌握上述幾個概念后，不難理解自動控制系統(tǒng)的含義了。一般地，被控對象和控制裝置(控制器)的總體稱為自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)以無人駕駛飛機(jī)為例，進(jìn)一步理解上述幾個概念。無人駕駛飛機(jī)按預(yù)先給定的飛行航線參數(shù)(高度、方向等)飛行，則預(yù)先給定的飛行航線參數(shù)稱為給定輸入或參考輸入；在飛行過程中受到大氣氣流的影響使飛機(jī)偏離預(yù)定的航線，大氣氣流使飛行參數(shù)改變稱為擾動；飛機(jī)的測量比較裝置測出實際飛行參數(shù)與預(yù)定飛行參數(shù)存在偏差，就會對飛機(jī)的某些設(shè)備裝置進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，這些起控制作用的設(shè)備裝置稱為控制器；飛機(jī)稱為被控對象；飛機(jī)實際飛行參數(shù)稱為被控制量；在控制器作用下使飛機(jī)回到預(yù)定的航線或偏差在允許范圍內(nèi)，這就形成了無人駕駛飛機(jī)的自動控制系統(tǒng)。1.1.2自動控制的基本方式

自動控制系統(tǒng)有兩種最基本的形式，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。閉環(huán)自動控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，也是本書討論的主要內(nèi)容。

1.開環(huán)控制

開環(huán)控制是一種最簡單的控制方式，其特點是：在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。常見的開環(huán)控制系統(tǒng)有以下兩種。

1)按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制方式的特點是：需要控制的是被控對象的被控量，而控制裝置(即控制器)只接收給定值信號。按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖如圖1-1所示。系統(tǒng)中，給定值經(jīng)計算、執(zhí)行部件和被控對象轉(zhuǎn)變?yōu)楸豢亓?，這是一個單向傳遞過程，故稱為開環(huán)控制。

這種開環(huán)控制方式有明顯的缺陷，它對可能出現(xiàn)的被控量偏離給定值的偏差沒有任何修正能力，抗干擾能力差，控制精度不高。當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定、干擾極弱或控制精度要求不高時，可采用這種開環(huán)控制方式。圖1-1按給定值操作的開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖

2)按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制方式的特點是：需要控制的仍是被控對象的被控量，而控制裝置(即控制器)接收的是干擾信號(破壞正常運(yùn)行的干擾信號)。抗干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖如圖1-2所示。利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以及時補(bǔ)充干擾對被控量的直接影響，稱為干擾補(bǔ)償控制。干擾信號經(jīng)測量、計算、執(zhí)行等部件至被控對象變換為被控量，這也是一個單向傳遞過程。圖1-2按干擾補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖這種系統(tǒng)只能對可測干擾進(jìn)行補(bǔ)償，對不可測干擾，系統(tǒng)自身無法控制，因此控制精度受到原理上的限制。在存在強(qiáng)干擾且變化比較劇烈的場合，可以采用這種開環(huán)控制方式。

2.閉環(huán)控制

閉環(huán)控制方式的特點是：在控制器與被控對象之間不僅存在著正向作用，而且存在著反饋作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量有直接影響，其原理方框圖如圖1-3所示。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制信號經(jīng)計算比較、執(zhí)行部件至被控對象，然后又經(jīng)過測量部件反饋回來，形成一個閉路傳遞，故稱閉環(huán)控制。將檢測出來的輸出量(即被控量)送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入量(即給定值)比較的過程稱為反饋。若反饋信號與輸入信號相減，則稱為負(fù)反饋；反之，若相加，則稱為正反饋。輸入信號與反饋信號之差稱為偏差信號。偏差信號作用于控制器上，使系統(tǒng)的輸出量趨向于給定的數(shù)值。閉環(huán)控制的實質(zhì)就是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制。圖1-3按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性。因為無論是干擾的作用，還是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，只要被控量偏離給定值，系統(tǒng)就會自行糾偏。但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)如果匹配得不好，會造成被控量的較大擺動，甚至使系統(tǒng)無法正常工作。

例1-1一個簡單的水位控制系統(tǒng)如圖1-4所示，試分析系統(tǒng)的工作原理，并畫出系統(tǒng)的原理方框圖。

解系統(tǒng)的任務(wù)是控制水箱內(nèi)的水位高度H使其等于預(yù)先設(shè)定的水位高度H0。

因為最終需要控制的是水箱內(nèi)的水位，使其維持恒定，故首先應(yīng)明確下列問題：

(1)受控對象——水箱、供水系統(tǒng)；

(2)被控量——水箱內(nèi)水位的高度；

(3)給定量——控制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度；

(4)控制裝置——啟動閥門、控制器；圖1-4水位控制系統(tǒng)原理圖

(5)測量裝置——浮子；

(6)比較裝置——控制器刻度盤；

(7)干擾——水的流出量Q2和流入量Q1的變化都將破壞水位的恒定，故Q1、Q2是干擾輸入。

由上述分析可知系統(tǒng)的工作原理如下：假定水位H恰好等于控制器刻度盤指針標(biāo)定的預(yù)定水位高度，則水位偏差為零，啟動閥門保持一定開度，進(jìn)水量一定，水箱處于平衡工作狀態(tài)。

如果流出量Q2突然增大，而進(jìn)水啟動閥門一時沒變，則水位下降，浮子下移，使得進(jìn)水閥門開度增大，水位偏差不為零，進(jìn)水量增加，水位逐漸升高，直至水位H又恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的值，系統(tǒng)重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。

水位控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖1-5所示。圖1-5水位控制系統(tǒng)的原理方框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)是否能很好地工作，將取決于被控對象和控制裝置之間、各功能部件的特性參數(shù)之間是否匹配得當(dāng)。在工程實際應(yīng)用中，控制精度是衡量自動控制系統(tǒng)技術(shù)性能的重要指標(biāo)。一個高質(zhì)量的控制系統(tǒng)，在整個運(yùn)行過程中，被控量對給定值的偏差應(yīng)該是很小的。一般地，考慮到自控系統(tǒng)的動態(tài)過程(控制被控量變化的全過程稱為系統(tǒng)的動態(tài)過程)在不同階段中的特點，工程上常從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面來評價總體精度。穩(wěn)和快反映了系統(tǒng)動態(tài)過程性能的好壞。既快又穩(wěn)，表明系統(tǒng)的動態(tài)精度高。準(zhǔn)是衡量穩(wěn)態(tài)精度的指標(biāo)，反映了系統(tǒng)后期穩(wěn)態(tài)的性能。穩(wěn)、快、準(zhǔn)三方面的性能指標(biāo)往往由于被控對象的具體情況不同，各系統(tǒng)要求也有所側(cè)重，而且在同一個系統(tǒng)中，穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求是相互制約的。

1.2直流調(diào)速系統(tǒng)概況

調(diào)速控制系統(tǒng)是通過對電動機(jī)的控制，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并且控制工作機(jī)械按給定的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)行的裝置。用直流電動機(jī)作為原動機(jī)的傳動方式稱為直流調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到

了廣泛的應(yīng)用。雖然近年來交流電動機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展很快，但就其閉環(huán)控制的機(jī)理來說，直流電動機(jī)的調(diào)速與控制理論和實現(xiàn)都是交流電動機(jī)調(diào)速控制的基礎(chǔ)。從根本上說，由于直流電動機(jī)電樞和磁場能獨立進(jìn)行激勵，而且轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的描述是對可控電壓(或電流)激勵的線性函數(shù)，因此，容易實現(xiàn)各種直流電動機(jī)調(diào)速控制，也容易實現(xiàn)對控制目標(biāo)的“最佳化”。這也是直流電動機(jī)長期主導(dǎo)調(diào)速領(lǐng)域的原因。

在生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度不可能一成不變，需要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求或?qū)嶋H情況進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。調(diào)速的方法一般有幾種：機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速和機(jī)械電氣配合調(diào)速。機(jī)械調(diào)速通過改變傳動比來實現(xiàn)調(diào)速；電氣調(diào)速則通過改變電動機(jī)的電氣參數(shù)，從而改變電動機(jī)運(yùn)行的工作點來實現(xiàn)調(diào)速。采用何種方案調(diào)速，要根據(jù)實際情況，以獲得最佳性價比為目標(biāo)來決定。在很多情況下，采用電氣調(diào)速在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各項指標(biāo)上都優(yōu)越得多。由于晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，目前國內(nèi)多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)仍然沿用晶閘管電動機(jī)傳動結(jié)構(gòu)，但是晶閘管存在著控制的非線性及較低的功率因數(shù)等缺點，難以實現(xiàn)高精度、寬范圍的速度控制。隨著GTO晶閘管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的問世，這些有自關(guān)斷能力的器件逐步取代了原來普通晶閘管系統(tǒng)所必需的換向電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了效率和工作頻率，降低了噪聲，縮小了電力電子裝置的體積和重量。諧波成分大、功率因數(shù)差的相控變流器逐步被斬波器或脈沖寬度調(diào)制型(PWM)變流器所代替，明顯地擴(kuò)大了電動機(jī)控制的調(diào)速范圍，提高了調(diào)速精度，改善了快速性、效率和功率因數(shù)。PWM電源終將取代晶閘管相控式可控功率電源，成為電源的主流。一種稱為軟性PWM的電源將主宰傳動控制領(lǐng)域，成為理想的功率電源。隨著信息、控制與系統(tǒng)學(xué)科以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力拖動控制系統(tǒng)獲得了迅猛發(fā)展，從旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組(交流電動機(jī)帶動直流發(fā)電機(jī))到水銀整流器靜止變流裝置、晶閘管整流裝置，再到眾多集成電力模塊。目前完全數(shù)字化的控制裝置已成功應(yīng)用于生產(chǎn)，以微機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部件，并具有控制、檢測、監(jiān)視、故障診斷及故障處理等多功能的電氣傳動系統(tǒng)正處在形成和不斷完善之中。

1.3交流調(diào)速系統(tǒng)概況

交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，但是長期以來一直沒有理想的調(diào)速方案，只能被用于恒速拖動領(lǐng)域。晶閘管等功率元件的出現(xiàn)使交流電動機(jī)調(diào)速的發(fā)展出現(xiàn)了一個飛躍，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速得以實現(xiàn)。盡管交流電動機(jī)具有體積小、重量輕、沒有電刷和換向器、轉(zhuǎn)動慣量小、制造簡單、結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、易于維修等優(yōu)點，但是由于交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有控制比較復(fù)雜、調(diào)速性能差、裝置價格高、效率低等缺點，因而仍然未能得到推廣。自從微處理器出現(xiàn)以后，在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速、無換向器電動機(jī)調(diào)速、籠型異步電動機(jī)的矢量控制以及PWM技術(shù)方面都已經(jīng)獲得了重大突破與發(fā)展，并已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。目前，以大功率半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)精度、較快的動態(tài)響應(yīng)、較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行等優(yōu)異性能，其靜、動態(tài)特性均可以與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。而這時，直流電動機(jī)和交流電動機(jī)相比其缺點也日益顯露出來。例如，直流電動機(jī)存在換向問題，其最大供電電壓受到限制，機(jī)械強(qiáng)度也限制了轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，結(jié)構(gòu)的影響使其不適于腐蝕性、易爆性和含塵氣體的特殊場合。因此，交流電動機(jī)越來越受到人們的重視，可以說，交流調(diào)速逐步取代直流調(diào)速已成為明顯的發(fā)展趨勢。特別是節(jié)能型交流調(diào)速技術(shù)，已得到很快發(fā)展。在過去大量應(yīng)用的所謂不變速拖動系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分是風(fēng)機(jī)、水泵等拖動系統(tǒng)，這類負(fù)載約占工業(yè)電力拖動總量的一半。其中有些并不是真的不需要變速，只是由于過去的交流電動機(jī)不能調(diào)速，因而不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)流量，同時也消耗掉大量的電能。如果采用交流電動機(jī)調(diào)速來改變風(fēng)量或流量，則效率將會大大提高。從各方面來看，改造恒速電動機(jī)為交流調(diào)速電動機(jī)，每臺月節(jié)能20％以上，總體的節(jié)能效益是可觀的。

1.4自動控制系統(tǒng)仿真基本概念

系統(tǒng)仿真作為一種特殊的試驗技術(shù)，在20世紀(jì)30年代到90年代的半個多世紀(jì)中經(jīng)歷了飛速發(fā)展，到今天已經(jīng)發(fā)展成為一種真正的、系統(tǒng)的試驗科學(xué)。伴隨著第一臺電子管電子計算機(jī)的誕生和以相似理論為基礎(chǔ)的模擬技術(shù)的應(yīng)用，仿真作為一種研究和發(fā)展新產(chǎn)品、新技術(shù)的科學(xué)手段，在航空、航天、造船、兵器等與國防科研相關(guān)的行業(yè)中首先發(fā)展起來，并顯示了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。以武器的作戰(zhàn)使用訓(xùn)練為例，1930年左右，美國陸、海軍航空隊就使用了林克式儀表飛行模擬訓(xùn)練器。當(dāng)時其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)于每年節(jié)約1.3億美元，而且少犧牲524名飛行員。此后，固定基座以及三自由飛行模擬座艙陸續(xù)大量投入使用。1950～1953年，美國首先利用計算機(jī)來模擬戰(zhàn)爭，防空兵力或地空作戰(zhàn)被認(rèn)為是具有最大訓(xùn)練潛力的應(yīng)用范疇。20世紀(jì)60年代，目標(biāo)探測、捕獲、跟蹤和電子對抗已經(jīng)進(jìn)入了仿真系統(tǒng)。70年代利用放電影方式，在大球幕內(nèi)實現(xiàn)了多目標(biāo)、飛機(jī)—導(dǎo)彈作戰(zhàn)演習(xí)。隨著80年代數(shù)字計算機(jī)的高速發(fā)展，訓(xùn)練仿真開始蓬勃發(fā)展，甚至呈現(xiàn)了兩個新概念，即武器系統(tǒng)研制與訓(xùn)練裝置的開發(fā)同步進(jìn)行以及訓(xùn)練裝置作為武器系統(tǒng)可嵌入的組成部分而進(jìn)入整個計算機(jī)軟件系統(tǒng)。至于武器的控制與制導(dǎo)(C&G)系統(tǒng)研制、試驗與定型中仿真技術(shù)的應(yīng)用則更為普遍。在20世紀(jì)80年代對于導(dǎo)彈的研制中，由于采用仿真使飛行試驗數(shù)量減少了30％～40％，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)10％～40％，縮短周期30％～60％，這足以說明系統(tǒng)仿真在工程應(yīng)用中的重大意義。

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。1.4.1計算機(jī)仿真基本概念

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)逐步發(fā)展，現(xiàn)已形成完整的學(xué)科，滲透到各個領(lǐng)域，為應(yīng)用系統(tǒng)的研究提供了強(qiáng)大的工具。

系統(tǒng)仿真利用系統(tǒng)模型研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。仿真技術(shù)以控制論、系統(tǒng)論、相似性原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，是工程技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計和評估的重要手段。根據(jù)自動控制理論，我們已經(jīng)知道，在電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，使用框圖組織系統(tǒng)又省時又省力，如果采用計算機(jī)仿真技術(shù)來實現(xiàn)電動機(jī)調(diào)速，則在提高調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行精度、減少累積誤差等方面大有益處。計算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的技術(shù)及方法。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)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。一般來說，模型可以分為以下三類：

(1)物理模型，是指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實體，例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，是指在一定的功能或結(jié)構(gòu)上相似，可用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征的模型。

(3)仿真模型，是指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化而成的計算機(jī)可以實現(xiàn)的模型。

1.仿真分類

可以從模型角度和計算機(jī)類型角度對不同的仿真系統(tǒng)進(jìn)行分類。

1)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、在線的特點。

(2)數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型。它在計算機(jī)上進(jìn)行，具有非實時、離線的特點，經(jīng)濟(jì)、快速、實用。

2)按計算機(jī)類型分類

(1)模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機(jī)上進(jìn)行的仿真實驗。這是一種早期的仿真手段，現(xiàn)在基本被淘汰。它的特點是描述連續(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，但是受元器件性能影響較大，仿真精度較低，對計算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較困難，自動化程度低。模擬計算機(jī)的核心是運(yùn)算部分，它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要構(gòu)成部件。

(2)數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計算機(jī)上借助數(shù)值計算方法所進(jìn)行的仿真實驗。它是在20世紀(jì)60年代隨著計算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的，其特點是計算與仿真的精度較高。理論上計算機(jī)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的，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素的影響，其精度也不易定得太高。數(shù)字仿真方法對計算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便，仿真實驗的自動化程度較高，可以方便地實現(xiàn)顯示、打印等功能，但計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，速度問題會在不同程度上有所改進(jìn)與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計人員用高級程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出程序。

(3)混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真的技術(shù)與特點。

(4)現(xiàn)代計算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強(qiáng)大，易學(xué)易用。它是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，是當(dāng)前主流的仿真技術(shù)與方法。

2.仿真應(yīng)用

仿真技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用的深度和廣度也越來越大，其目前主要應(yīng)用在以下方面：

(1)航空航天業(yè)，包括飛行器設(shè)計中的三級仿真體系(即數(shù)學(xué)仿真)、半實物仿真、實物仿真或模擬飛行實驗，飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器等。

(2)電力工業(yè)，包括電力系統(tǒng)動態(tài)模型實驗，電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制，電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)等。

(3)原子能工業(yè)，包括模擬核反應(yīng)堆，核電站仿真器，用來訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理等。

(4)石油、化工以及冶金工業(yè)。

(5)非工程領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、社會學(xué)、宏觀經(jīng)濟(jì)和商業(yè)策略的研究等。

3.仿真技術(shù)應(yīng)用的意義

仿真技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)經(jīng)濟(jì)。大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實驗是十分昂貴的，如空間飛行器一次飛行實驗的成本約在一億美元，而采用仿真實驗僅需其成本的1/10~1/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。

(2)安全。某些系統(tǒng)，如載人飛行器、核電裝置等，直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。

(3)快捷。應(yīng)用仿真技術(shù)可以提高設(shè)計效率，如在進(jìn)行電路設(shè)計、服裝設(shè)計時進(jìn)行仿真等。

(4)具有優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測的特殊功能。對一些真實系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是非常困難的，這時仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計功能。再如對于非工程系統(tǒng)，如社會、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)，由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實驗幾乎是不可能的，這時通過仿真技術(shù)與方法的應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識。

4.自動控制系統(tǒng)仿真

自動控制系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)仿真的一個重要分支，它是一門涉及自動控制理論、計算數(shù)學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)辨識、控制工程以及系統(tǒng)科學(xué)的綜合性新型學(xué)科。它為控制系統(tǒng)的分析、計算、研究、綜合設(shè)計以及自動控制系統(tǒng)的計算機(jī)輔助教學(xué)等提供了快速、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)及有效的手段。自動控制系統(tǒng)仿真就是以自動控制系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型替代實際控制系統(tǒng)，以計算機(jī)為工具，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行實驗、分析、評估以及預(yù)測研究的一種技術(shù)與方法。

5.自動控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真基本過程

自動控制系統(tǒng)仿真包括以下幾個基本步驟：問題描述、模型建立、仿真實驗、結(jié)果分析，具體流程如圖1-6所示。

1)建立數(shù)學(xué)模型

控制系統(tǒng)模型是指描述控制系統(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(dá)式?？刂葡到y(tǒng)模型可分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型。靜態(tài)模型描述的是自動控制系統(tǒng)變量之間的靜態(tài)關(guān)系，動態(tài)模型描述的是自動控制系統(tǒng)變量之間的動態(tài)關(guān)系。最常用、基本的數(shù)學(xué)模型是微分方程與差分方程。圖1-6自動控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真流程圖

2)建立仿真模型

由于計算機(jī)數(shù)值計算方法的限制，有些數(shù)學(xué)模型是不能直接用于數(shù)值計算的，如微分方程，因此，原始的數(shù)學(xué)模型必須轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真的仿真模型。例如，在進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真時，就需要將微分方程這樣的數(shù)學(xué)模型通過拉普拉斯變換轉(zhuǎn)換成傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)的仿真模型。

3)編寫仿真程序

控制系統(tǒng)的仿真涉及很多相關(guān)聯(lián)的量，這些量之間的聯(lián)系要通過編制程序來實現(xiàn)。常用的數(shù)值仿真編程語言有C、FORTRAN等，近年來發(fā)展迅速的綜合計算仿真軟件如MATLAB也可以用來編寫仿真程序，而且運(yùn)行速度快，界面友好，因此得到廣泛應(yīng)用。本書中就是采用MATLAB環(huán)

境下的Simulink、SimPowerSystem工具箱對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析的。

4)進(jìn)行仿真實驗并分析實驗結(jié)果

在完成以上工作后，就可以進(jìn)行仿真實驗了。通過對仿真結(jié)果的分析來對仿真模型與仿真程序進(jìn)行檢驗和修改，如此反復(fù)，直至達(dá)到滿意的實驗效果為止。

6.計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，與之緊密結(jié)合的計算機(jī)仿真技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)硬件方面，基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿真的實時性。

(2)應(yīng)用軟件方面，直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)中，使之在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達(dá)到更理想的境界。

(3)分布式數(shù)字仿真，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行分布式仿真，投資少，效果好。

(4)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合了計算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等諸多學(xué)科，使人仿佛置身于真實環(huán)境之中，這就是“仿真”追求的最終目標(biāo)。1.4.2

MATLAB與控制系統(tǒng)仿真

MATLAB是一種科學(xué)計算軟件。MATLAB是MatrixLaboratory(矩陣實驗室)的縮寫，這是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計算語言。早期的MATLAB主要用于解決科學(xué)和工程的復(fù)雜數(shù)學(xué)計算問題。由于它使用方便，輸入便捷，運(yùn)算效率高，適應(yīng)科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴(kuò)展的空間，因此，自MATLAB面世以來，其應(yīng)用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善，集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等于一體，具有極高的編程效率。特別是MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱及Simulink的問世，給控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計帶來了極大的方便，受到用戶的歡迎，現(xiàn)已成為風(fēng)行國際的、有力的控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助分析工具。近十年來，隨著MATLAB語言和Simulink仿真環(huán)境在控制系統(tǒng)研究與教學(xué)中日益廣泛的應(yīng)用，在系統(tǒng)仿真、自動控制等領(lǐng)域，國內(nèi)外很多高校的教學(xué)與研究工作都將MATLAB/Simulink語言作為首選的計算機(jī)工具。MATLAB語言是一種十分有效的工具，能容易地解決在系統(tǒng)仿真及控制系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計領(lǐng)域的教學(xué)與研究中遇到的問題，它可以將使用者從繁瑣的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多地花在解決科學(xué)問題上。

MATLAB具有以下主要特點，非常適合于控制系統(tǒng)的仿真：

(1)強(qiáng)大的運(yùn)算功能。MATLAB提供了向量、數(shù)組、矩陣、復(fù)數(shù)運(yùn)算，高次微分方程求解，常微分方程的數(shù)值積分等強(qiáng)大的運(yùn)算功能，這些運(yùn)算功能使控制理論及控制系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的計算問題得以順利解決。

(2)特殊功能的TOOLBOX工具箱。MATLAB的TOOLBOX工具箱包括控制領(lǐng)域里常用的算法包，如模糊控制工具箱、魯棒控制工具箱等，這些工具箱使得控制系統(tǒng)的計算與仿真變得方便。

(3)高效的編程效率。MATLAB提供了豐富的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)都可以直接調(diào)用，而不必將其子程序的命令或語句逐一列出，大大提高了編程效率。在科學(xué)與工程應(yīng)用的數(shù)值計算領(lǐng)域里，MATLAB與傳統(tǒng)使用BASIC、FORTRAN和C語言等設(shè)計程序相比，編程效率提高了好幾倍。

(4)簡單易學(xué)的編程語言。MATLAB的編程語言是腳本語言，這種解釋性的語言簡單易學(xué)。

(5)方便友好的編程環(huán)境。MATLAB提供了友好的用戶界面和方便的幫助系統(tǒng)，十分方便操作者使用。

隨著MATLAB軟件的不斷升級以及功能強(qiáng)大的TOOLBOX的出現(xiàn)，MATLAB將成為自動控制系統(tǒng)計算與仿真中一個越來越強(qiáng)有力的工具，使控制系統(tǒng)的計算和仿真與傳統(tǒng)的仿真方法相比發(fā)生了革命性的變化。MATLAB正成為國內(nèi)外控制領(lǐng)域中最流行的計算和仿真軟件。

1.5本課程的任務(wù)

本課程的任務(wù)是使讀者在掌握交直流調(diào)速控制系統(tǒng)基本組成原理的同時，能夠結(jié)合工程實際情況，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備所提出的技術(shù)