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1、控制系統(tǒng)仿真,濰坊學(xué)院 張建軍,課程任務(wù),通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，初步掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語(yǔ)言的基本知識(shí)，結(jié)合所學(xué)課程自動(dòng)控制原理，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計(jì)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)學(xué)科。它已成為對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和綜合研究中一種很有效的手段。特別是在計(jì)算機(jī)高度發(fā)達(dá)的今天，所研究設(shè)計(jì)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(lái)越高，利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和研究，以及進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(xiàng)技術(shù)。,1.
2、1自動(dòng)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,1.1.1 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用 1.1.2 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用,1.2 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念,1.2.1 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性新型學(xué)科。以下介紹幾個(gè)有關(guān)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)某種目的的一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體。如果系統(tǒng)用于自動(dòng)控制，則稱之為自動(dòng)控制系統(tǒng)。,模型：是對(duì)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(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)模型和混合模型
3、。,溫度控制系統(tǒng),,系統(tǒng)仿真：是以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(lái)類比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程，以尋求對(duì)真實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。,試驗(yàn)的方案有兩種： 一種是直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行。 另一種則是按真實(shí)系統(tǒng)的“樣子”構(gòu)造一個(gè)模型，在模型上進(jìn)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(shí)物介入！ 具有效果逼真，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高或耗時(shí)長(zhǎng)，大多在一些特殊場(chǎng)合下采用（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動(dòng)態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)等
4、），具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。,（2）數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性、離線的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)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(shí)物有機(jī)地組合在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，稱之為數(shù)學(xué)物理仿真，也稱為半實(shí)物仿真。,2. 按系統(tǒng)隨時(shí)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(hào)均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，可用一組數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)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(shí)刻發(fā)生，且由某種隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)，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(shí)驗(yàn),結(jié)果分析,,,,,,計(jì)
5、算機(jī),1.2.2 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程,1. 根據(jù)仿真目的確定仿真方案 2. 建立自動(dòng)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(dá)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(dòng)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(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，應(yīng)該將其轉(zhuǎn)換為能在計(jì)算機(jī)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。,對(duì)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(jìn)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(duì)于離散系統(tǒng)而言
6、，將差分方程經(jīng)z變換轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字控制器模型即可。,4編制自動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真程序 對(duì)于非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，可以用一般的高級(jí)語(yǔ)言，例如Basic、Fortran 或C 語(yǔ)言等編制系統(tǒng)的仿真程序；對(duì)于快速、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真，往往采用匯編語(yǔ)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(lái)研究和分析控制系統(tǒng)是非常方便的。,5在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果。 首先，將編制好的仿真程序輸入到計(jì)算機(jī)中，并給定仿真的初始參數(shù)；然后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并對(duì)仿真模型與仿真程序作相應(yīng)的檢驗(yàn)和修改，再按照系統(tǒng)仿真
7、的要求將得到的系統(tǒng)仿真最終結(jié)果通過(guò)相應(yīng)設(shè)備以數(shù)據(jù)、曲線、圖形等方式輸出；最后，進(jìn)行仿真總結(jié)，提交系統(tǒng)仿真的報(bào)告。,,1.3 控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算與仿真,1.3.1 先進(jìn)的軟件MATLAB MATLAB語(yǔ)言是美國(guó)Math Works公司于20世紀(jì)80年代推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件，MATLAB 語(yǔ)言源于線性代數(shù)中的數(shù)學(xué)運(yùn)算，它不同于其他的計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，MATLAB語(yǔ)言最初是基于矩陣的運(yùn)算工具，這也是其名稱MATLAB(MATrix LABoratory)的由來(lái)。MATLAB 語(yǔ)言已成為當(dāng)今全世界流行的一種優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。,1. MATLAB語(yǔ)言功能強(qiáng)大，適用范圍廣泛。 2. MATLA
8、B語(yǔ)言編程效率高。MATLAB語(yǔ)言提供了豐富的內(nèi)部函數(shù)。 3. MATLAB語(yǔ)言界面友好，用戶使用方便。MATLAB 語(yǔ)言擁有友好的界面與易學(xué)易懂的幫助系統(tǒng)。 4. MATLAB語(yǔ)言具有很強(qiáng)的擴(kuò)充能力。,5. 語(yǔ)句簡(jiǎn)單，內(nèi)涵豐富。 MATLAB最基本的語(yǔ)句結(jié)構(gòu)是賦值語(yǔ)句，語(yǔ)句的一般形式為： 變量名列表=表達(dá)式 6. MATLAB語(yǔ)言具有強(qiáng)大的圖形處理和符號(hào)運(yùn)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(gè)整體，為文字處理、科學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)構(gòu)造了一個(gè)完美統(tǒng)一的工作環(huán)境。,8. MATLAB功能齊備的自動(dòng)控制軟件工具包 控制系統(tǒng)工具箱（Control System Tooolbox） 信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox） 模糊控制工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）,
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