01-控制系统仿真概述

null控制系统仿真 -基于MATLAB语言控制系统仿真 -基于MATLAB语言主讲教师：张磊 中国海洋大学 工程学院*null课程、实验安排，讲义和课程要求。 、参考文献§1 控制系统仿真概述《自动控制理论》，夏德琎，机械工业出版社，2004（第二版） 《控制工程基础》，孙志毅，机械工业出版社，2004（第一版） 《精通MATLAB》，王正林，电子工业出版社，2006（第一版） 《基于MATLAB的控制系统仿真》，翟亮，清华大学出版社，2006（第一版） 《编程基础与典型应用》，刘会灯，人民邮电出版社，2008 《MATLAB/Simulink与控制系统仿真》，王正林等，电子工业出版社,2008（第2版）由于控制系统仿真是一个发展中的研究方向，目前还没有像我们所学过的自动控制原理、现代控制理论这些经典的控制理论一样形成完整的体系结构，目前也没有一本公认的经典教材。所以在讲授这门课程的时候，我需要从其他的参考书中借鉴某些内容，并不完全按照教材来讲授。 主要参考书目包括： §1 控制系统仿真概述§1 控制系统仿真概述§1 控制系统仿真概述本章的主要内容§1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述1.概要1.1系统仿真的发展状况及应用前景§1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述仿真系统的应用及举例随着仿真技术的发展，仿真技术的应用趋于多样化、全面化。最初仿真技术是作为对实际系统进行实验的辅助工具而应用的，而后又由于训练的目的。 现在仿真系统的应用主要包括：系统概念研究、系统的可行性研究、系统的设计和、系统开发、系统测试与评估、系统操作人员的培训、系统预测、系统的使用和维护等方面。它的应用已经发展到与国民经济相关的各个重要领域。§1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述1）研究领域 如：分子动力学研究，机器人研究，机器人的控制 2 ）军事领域 武器装备的研制：仿真技术在武器装备研制过程中，使得在武器研制计划开始前，能够充分利用仿真系统验证武器系统的设计方案和技术性能的合理性。 军事训练：分布式仿真系统通过网络技术将分散在各地的人、仿真器、及系统生成的兵力及计算机等设备联合成为一个整体，形成一个可以在时间和空间上相互耦合的虚拟战场合成环境。参与者可以自由的交互使用。使过去主要依靠野战完成的任务可以用虚拟的环境得以重复、多次、不同环境的进行演练。大大节省了资源。仿真系统的应用及举例§1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述3）工业领域 由于工业系统的复杂性、大型化和仿真系统及技术的安全性、经济性，仿真技术广泛应用于工业领域的各个部门。在大型复杂工程系统建设前的概念研究、系统的需求分析等过程中，仿真技术都发挥着越来越重要的作用。如电站仿真系统，随着单元发电机组容量越来越大，系统越来越复杂，对它的安全生产和经济运行都提出了更高的要求。通过仿真系统可以优化运行过程，培训操作人员，保证安全运行。又如在生产经营方面，如何在短时间内，以最经济的手段开发出用户能够接受的产品，已成为今天市场竞争的焦点。仿真系统的应用及举例§1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述4）交通，医学等领域 我国研制了能够表述交通流特征和交通流质量的交通仿真软件平台。通过该系统可以对交通规划、交通控制设计、交通工程建设方案等进行评估。仿真系统的应用及举例null具有5路超声波传感器的两轮差动机器人小车的智能避障。 null使用s-function建立了五路超声波传感器的模型 移动机器人模糊避障系统组成 null建立超声导航移动机器人运动模型 移动机器人模糊推理系统 null超声波传感器信息融合技术建立的机器人模糊避障系统模型 §1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述1.概要1.2系统的概念及分类null1.2系统的概念及分类null1.2系统的概念及分类§1．1控制系统仿真概述§1．1控制系统仿真概述1.概要1.3具体事例和系统仿真的意义仿真技术具有安全、快捷和可以实现某些特殊要求优点。借助于仿真技术可以采用各种最优化原理和，是设计结果达到某种最优，实现系统的优化设计。§1．2系统、模型与仿真§1．2系统、模型与仿真1.模型的概念及分类系统模型是对系统属性和变化规律的一种定量抽象，是对系统本质的描述，是人们认识事物（系统）的一种方法和手段。模型可以描述系统的本质和内在联系，通过对模型的分析和研究，达到了解原系统的目的。§1．2系统、模型与仿真§1．2系统、模型与仿真1.模型的概念及分类模型的表达形式分为物理模型、数学模型、描述模型。物理模型：是被描述对象的物理再现，其抽象级别最低。 1）实物模型：根据相似性理论制造的按一定比例缩小或放大的实物。如：风洞实验中的飞机模型，水利系统中的船舶模型等。所谓相似是指各类事物或对象间存在的某些共性。相似性是客观世界的一种普遍现象，反映了客观世界不同事物间存在的共同规律。例如：电路中的RLC振荡和机械中的弹簧振动都可以用相同的微分方程描述。§1．2系统、模型与仿真§1．2系统、模型与仿真2.系统、模型、仿真3者之间的关系系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型进行实验以达到研究系统的目的。系统仿真包括了3个要素：系统、模型、计算机。联系这3要素的基本活动是：系统建模、仿真建模和仿真实验。系统模型计算机仿真实验系统建模仿真建模§1．2系统、模型与仿真§1．2系统、模型与仿真2.系统、模型、仿真3者之间的关系系统仿真的概念是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术、计算机基础等技术之上的，以计算机和其他专用物理设备为工具，利用模型对真实的或假想的系统进行实验，并借助专家知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性、试验性学科。§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件1.仿真技术的发展和仿真技术的相关概念§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件1.仿真技术的发展和仿真技术的相关概念§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件1.仿真技术的发展和仿真技术的相关概念§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件2.仿真的概念仿真是以相似性原理、控制理论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合技术。它利用物理或数学方法建立模型类比模拟现实过程或建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件2.仿真的概念§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件3.仿真的基本步骤系统建模仿真建模程序设计试验结果分析§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件3.仿真的基本步骤1. 建立系统的数学模型：通常根据系统试验知识、仿真的目的和相关资料的分析来确定数学模型的框架、结构和参数。确保模型的有效性和仿真的经济性。一些简单系统可以通过基本定律如牛顿定律、热力学定律等来建立数学模型。而对大部分系统，由于系统的复杂性，难以写出用数学表达式描述的数学模型，必须利用实验的方法获得实验数据，通过系统辨识等技术建立数学模型。数学模型的建立是系统仿真的研究依据，其建立的准确性是十分重要的。§1．3仿真技术与软件§1．3仿真技术与软件2. 建立仿真模型：一般的数学模型都不能直接编制程序用计算机求解，通常必须把数学模型转换成适宜编程并能在计算机上运行的模型-仿真模型。需要通过一定的算法对原系统的数学模型进行处理。（如离散化处理等） 3. 建立仿真环境：将仿真用计算机程序来描述，程序中包括了仿真试验的要求，如仿真的运行参数、控制参数和输出要求等。 4. 进行仿真试验：调试仿真环境、验证模型、分析实验结果，确定实验方案，根据实验要求对实验结果进行分析、整理和记录。根据分析结果修正数学模型、 仿真模型和程序，重新进行试验。§1．4控制理论与控制系统CAD§1．4控制理论与控制系统CAD以MATLAB为主要工具，按照控制理论的内容体系，依次展开学习，包括： 1、MATLAB语言的基础； 2、控制系统工具箱的主要函数； 3、控制系统模型的建立、分析设计； 4、基于MATLAB的仿真试验null小 结 本节介绍了控制系统仿真的概要，通过学习应该掌握： 什么是系统仿真 系统仿真有哪些主要用途和好处 本课程的主要研究内容、方法和目标