控制系統(tǒng)仿真第一章

1、前言前言 是一種 模仿模仿 行為。 仿真： 仿真：通過有效 模型模型 對(duì)真實(shí)或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 研究的綜合性模擬試驗(yàn) 。 仿仿真真實(shí)際的系統(tǒng)。實(shí)際的系統(tǒng)。 模仿模仿 仿真技術(shù)仿真技術(shù)：以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)：以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù) 為基礎(chǔ)，綜合集成計(jì)算機(jī)、為基礎(chǔ)，綜合集成計(jì)算機(jī)、 自動(dòng)控制、網(wǎng)自動(dòng)控制、網(wǎng) 絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程信息處絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程信息處 理理等眾多領(lǐng)域的一門實(shí)驗(yàn)等眾多領(lǐng)域的一門實(shí)驗(yàn)技術(shù)。技術(shù)。 建立在模型模型基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 仿真技術(shù)： 仿真技術(shù)：仿真技術(shù)：起源于軍事領(lǐng)域，用于對(duì)實(shí)彈打靶的模擬仿真

2、，以減少起源于軍事領(lǐng)域，用于對(duì)實(shí)彈打靶的模擬仿真，以減少 多次實(shí)彈打靶的費(fèi)用。多次實(shí)彈打靶的費(fèi)用。 航天、航空、兵器、船舶航天、航空、兵器、船舶 、水利水電、水利水電 電子、通訊、機(jī)械、天文、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、信息領(lǐng)域電子、通訊、機(jī)械、天文、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、信息領(lǐng)域 仿真技術(shù)的發(fā)展仿真技術(shù)的發(fā)展：以強(qiáng)勁的：以強(qiáng)勁的有效需求有效需求為牽引為牽引 以強(qiáng)大的以強(qiáng)大的經(jīng)費(fèi)支持經(jīng)費(fèi)支持做后盾做后盾 航天、航空、兵器、船舶等部門的多個(gè)研究所都航天、航空、兵器、船舶等部門的多個(gè)研究所都 有不同規(guī)格、不同用途的仿真實(shí)驗(yàn)室。有不同規(guī)格、不同用途的仿真實(shí)驗(yàn)室。 第一章 緒論 n1.1基本概念 n1.2仿真的分類 n1.3仿真的

3、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 n1.4仿真的發(fā)展 n1.5教學(xué)準(zhǔn)備及安排 1.1 基本概念 一、控制系統(tǒng) 計(jì)算裝置作動(dòng)器被控對(duì)象 測(cè)量反饋裝置 控制器 1.圖示 由被控對(duì)象被控對(duì)象及使被控對(duì)象按人的意愿運(yùn)行的控制器 組成的閉合回路。 廣義被控對(duì)象 2.組成 廣義控制器包括三部分 a.計(jì)算裝置 模擬式-運(yùn)放搭成的模擬控制器 數(shù)字式-計(jì)算機(jī) b.作動(dòng)器 電、液、氣、熱裝置等 c.測(cè)量反饋裝置 測(cè)速，測(cè)位，測(cè)溫 3.特點(diǎn)： 控制系統(tǒng)是實(shí)體的集合。 控制系統(tǒng)具有目的性控制系統(tǒng)具有目的性： 完成特定功能：液位、位置、速度、溫度 滿足性能指標(biāo)：控制精度、超調(diào)、振蕩次數(shù) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 確定控制器的類型、結(jié)構(gòu)、參數(shù)。 這是一

4、個(gè)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證驗(yàn)證、再設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證再驗(yàn)證的反復(fù) 過程。驗(yàn)證：仿真驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證：仿真驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 常用模型列于下表： 連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng) 微分方程差分方程 x(k+1)=g(x(k),u(k),k) 傳遞函數(shù) G(s)脈沖傳遞函數(shù) K(z) 狀態(tài)方程 A,B,C,D離散狀態(tài)方程 A(k), B(k), C(k), D(k) 二、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 n是控制系統(tǒng)某種特定性能的一種抽象形式。 ),(tuxfx 例如： 電機(jī)的調(diào)速特性：n=Km*v 電機(jī)的速度響應(yīng)：k/（Ts+1） 靜態(tài)特 性 動(dòng)態(tài)特 性 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 電磁時(shí)間常數(shù) 輸入輸出的數(shù) 量對(duì)應(yīng)關(guān)系 過渡過程：輸 出與時(shí)間的關(guān) 系 k

5、/（Ts2+Ts+1） 三、控制系統(tǒng)建模 n1.建模方法 建模是仿真的基礎(chǔ)。 分析法：運(yùn)用已知的定理、定律推導(dǎo)計(jì)算。 實(shí)驗(yàn)法：將系統(tǒng)視為黑箱，加入激勵(lì)信號(hào)，測(cè) 量其輸出。 綜合法：將分析法與實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合。 用分析法確定模型結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)法確 定參數(shù)。 2.建模要求 （1）數(shù)學(xué)模型的正確與否和精確度程度直接影響到仿真的置信度。）數(shù)學(xué)模型的正確與否和精確度程度直接影響到仿真的置信度。 （2）數(shù)學(xué)模型的建立必須針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域和預(yù)期的使用目的。）數(shù)學(xué)模型的建立必須針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域和預(yù)期的使用目的。 同一客觀事物的描述可以建立不同形式和不同精度的數(shù)學(xué)模型。同一客觀事物的描述可以建立不同形式和不同精度

6、的數(shù)學(xué)模型。 直流電動(dòng)機(jī)建模：分析法 m J a U a I m L L J + - a J 12 k a L a R m J a U a I m L L J + - a J 12 k a L a R 簡(jiǎn)化 +JL 直流電動(dòng)機(jī)建模：分析法 電樞回路方程 dt di LiRaEu aa 反電勢(shì) meme kkE 轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的力矩方程 mmmmlm JJMik ssJMsIk sksE ssITsIRasEsUa mmlm me l )()( )()( )()()()( 1 / 1 sT Ra l m k sJ m 1 s 1 e k l M Im Ua+ - E - + m m J a U a I

7、 m L L J + - a J 12 k a L a R -輸出輸出 伺服系統(tǒng)建模：綜合法 bsas k sGp 2 )( 模型擬合模型擬合 四、控制系統(tǒng)仿真 n對(duì)控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究 l仿真過程： 主要包括以下幾個(gè)階段：主要包括以下幾個(gè)階段： 問題描述，系統(tǒng)模型建立，模型轉(zhuǎn)換，模型校核、問題描述，系統(tǒng)模型建立，模型轉(zhuǎn)換，模型校核、 驗(yàn)證和確認(rèn)，實(shí)驗(yàn)方案制定，驗(yàn)證和確認(rèn)，實(shí)驗(yàn)方案制定，仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析。仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析。 1.2仿真的分類 數(shù)學(xué)仿真：對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用 數(shù)學(xué)關(guān)系數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為數(shù) 學(xué)仿真。 數(shù)學(xué)仿真優(yōu)

8、點(diǎn)：方便、靈活、經(jīng)濟(jì) 數(shù)學(xué)仿真缺點(diǎn)：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)， 即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。 1.根據(jù)模型的物理屬性分類 function dotx=func4(t,x) a=0 1 0;0 0 1;-22.06 -27 -10; b=0;0;40.6; dotx=a*x+b; 物理仿真：按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物 理模型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過 程稱為物理仿真。 物理仿真的缺點(diǎn)：模型改變困難， 實(shí)驗(yàn)限制多，投資較大。 物理仿真的優(yōu)點(diǎn)：直觀、形象， 也稱為“模擬”。 飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn) 汽車碰撞試驗(yàn) 半物理仿真：半物理仿真：將數(shù)學(xué)模型與物理模型或?qū)嵨锫?lián)合聯(lián)合起來 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 對(duì)系統(tǒng)中比較

9、簡(jiǎn)單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建對(duì)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建 立數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。立數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。 對(duì)比較復(fù)雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的部分，或希對(duì)比較復(fù)雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的部分，或希 望考察其性能的部件，則采用物理模型或?qū)嵨?。望考察其性能的部件，則采用物理模型或?qū)嵨铩?仿真時(shí)將兩者連接起來完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。仿真時(shí)將兩者連接起來完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。 是目前應(yīng)用最廣的一種仿真模式。 飛行環(huán)境仿真器飛行環(huán)境仿真器 飛機(jī)側(cè)向動(dòng)力學(xué)飛機(jī)側(cè)向動(dòng)力學(xué) 飛機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué) 比力數(shù)據(jù)計(jì)算比力數(shù)據(jù)計(jì)算 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 /通信通信 側(cè)向飛控

10、系統(tǒng)側(cè)向飛控系統(tǒng) 導(dǎo)航控制導(dǎo)航控制 飛行航線管理飛行航線管理 轉(zhuǎn)臺(tái)控制器轉(zhuǎn)臺(tái)控制器 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)三軸轉(zhuǎn)臺(tái) 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)陀螺穩(wěn)定平臺(tái) 速率陀螺組合速率陀螺組合 自動(dòng)駕駛儀自動(dòng)駕駛儀 副翼舵機(jī)副翼舵機(jī) 方向舵機(jī)方向舵機(jī) 角運(yùn)動(dòng)指令角運(yùn)動(dòng)指令 xg yg x y 被試件被試件 （實(shí)物）（實(shí)物） 被試件被試件 （實(shí)物）（實(shí)物） 仿真設(shè)備：模擬姿態(tài) 運(yùn)動(dòng)（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)） 主仿真機(jī)： 數(shù)學(xué)模型 某型飛機(jī)半物理仿真框圖 被試件被試件 （實(shí)物）（實(shí)物） 仿真設(shè)備：模 擬姿態(tài)運(yùn)動(dòng) （三軸轉(zhuǎn)臺(tái)） 主仿真機(jī)： 數(shù)學(xué)模型 仿真設(shè)備：模 擬無線電特性 某型導(dǎo)彈半物理仿真框圖 主仿真機(jī)主仿真機(jī) 彈體六自由度模型彈體六自由度模型

11、平臺(tái)模型平臺(tái)模型 速率陀螺模型速率陀螺模型 轉(zhuǎn)臺(tái)控制器轉(zhuǎn)臺(tái)控制器 三軸轉(zhuǎn)臺(tái)三軸轉(zhuǎn)臺(tái) 導(dǎo)引頭導(dǎo)引頭 飛控計(jì)算機(jī)飛控計(jì)算機(jī) 舵機(jī)舵機(jī) 負(fù)載模擬器負(fù)載模擬器 角運(yùn)動(dòng)指令角運(yùn)動(dòng)指令 舵偏角舵偏角 氣動(dòng)負(fù)載指令氣動(dòng)負(fù)載指令 飛控指令飛控指令 某型導(dǎo)彈半物理仿真框圖 被試件被試件 （實(shí)物）（實(shí)物） 仿真設(shè)備：模擬姿態(tài) 運(yùn)動(dòng)（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)） 主仿真機(jī)： 數(shù)學(xué)模型 模擬計(jì)算機(jī)仿真 這是5060年代普遍采用的仿真設(shè)備。將系 統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在模擬機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)稱 為模擬計(jì)算機(jī)仿真。 2.根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)類型分類 模擬機(jī)仿真是一種并行仿真，仿真時(shí)，代 表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的 為了發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)并行計(jì)算和數(shù)字計(jì)算

12、機(jī) 強(qiáng)大的存貯記憶及控制功能，以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系 統(tǒng)的高速仿真，將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一 部分放在模擬計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，另一部分放在數(shù)字 計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間利用模/數(shù)和數(shù)/模 轉(zhuǎn)換裝置交換信息。 數(shù)字模擬混合仿真 將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型用計(jì)算機(jī)程序加以實(shí)現(xiàn)，通 過運(yùn)行程序來得到數(shù)學(xué)模型的解，從而達(dá)到系統(tǒng) 仿真的目的。 數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真則是一種串行仿真，因?yàn)橛?jì) 算機(jī)只有一個(gè)中央處理器（CPU），計(jì)算機(jī)指令 只能逐條執(zhí)行。 數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的仿真。 目前發(fā)展非常迅速，應(yīng)用十分廣泛。 網(wǎng)絡(luò)仿真 分布交互仿真； 網(wǎng)絡(luò)游戲 實(shí)時(shí)仿真 仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致，模型仿真的速 度與實(shí)際系統(tǒng)

13、運(yùn)行的速度相同。 當(dāng)被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r(shí)，必須進(jìn)行 實(shí)時(shí)仿真。故物理仿真和半物理仿真均為實(shí)時(shí)仿真。 3.根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類 實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間稱為實(shí)際時(shí)鐘， 系統(tǒng)仿真時(shí)模型所采用的時(shí)鐘稱為仿真時(shí)鐘。 仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速 度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。 亞實(shí)時(shí)仿真（欠實(shí)時(shí)仿真） 仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度慢 于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度，也稱為離線仿真。 超實(shí)時(shí)仿真 連續(xù)系統(tǒng)仿真 連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)。 分為：集中參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用常微分方程（組）描述； 分布參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用偏微分方程（組）描述。 4.根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類

14、 離散時(shí)間變化模型中的差分模型歸為連續(xù)系統(tǒng)仿真范疇。 狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上, ,這種引起狀態(tài)變化的行為稱為這種引起狀態(tài)變化的行為稱為 “事件事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的；因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的； “事件事件”往往發(fā)生在往往發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上，亦稱為隨機(jī)事件，因上，亦稱為隨機(jī)事件，因 而一般都具有而一般都具有隨機(jī)特性隨機(jī)特性； 系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化離散變化的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難 用人們所熟悉的數(shù)學(xué)方程形式描述，用人們所熟悉的數(shù)學(xué)方程形式描述，研究分析的主要目標(biāo)是系研究分析的主要目標(biāo)是系 統(tǒng)行為的

15、統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能統(tǒng)計(jì)性能而不是行為的點(diǎn)軌跡而不是行為的點(diǎn)軌跡。 離散事件系統(tǒng)是指在某些離散事件系統(tǒng)是指在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上上系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)狀態(tài) 發(fā)生離散變化發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。例如：排隊(duì)系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)。例如：排隊(duì)系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)。 離散事件系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真 與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別 1.3仿真的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 一、優(yōu)點(diǎn) 1.安全可靠，無破壞性/破壞性可控 2.經(jīng)濟(jì)效益好 3.縮短研制周期 4.可多次重復(fù) n二、應(yīng)用/目的 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，仿真技術(shù)都得到應(yīng)用。 方案論證階 段 數(shù)學(xué)仿真簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型確定總體方案 設(shè)計(jì)階段數(shù)學(xué)仿真為主 物理仿真為輔 精確

16、的數(shù)學(xué)模型 元部件為實(shí)物 確定元部件及控 制策略 樣機(jī)驗(yàn)證階 段 物理仿真為主 數(shù)學(xué)仿真為輔 控制器為實(shí)物 精確的數(shù)學(xué)模型 優(yōu)化控制參數(shù)， 完善系統(tǒng)性能及 功能 使用階段物理仿真為主 數(shù)學(xué)仿真為輔 控制器/元部件 為實(shí)物 精確的數(shù)學(xué)模型 故障分析； 系統(tǒng)改進(jìn) 美國(guó)三種典型導(dǎo)彈研制過程中仿真技術(shù)的作用美國(guó)三種典型導(dǎo)彈研制過程中仿真技術(shù)的作用 計(jì)劃發(fā)射 （枚） 實(shí)際發(fā)設(shè) （枚） 節(jié)省導(dǎo)彈 （枚） 節(jié)省費(fèi)用 （千萬美元） 愛國(guó)者1411014080 羅蘭特22495129 42 尾 刺1851147125 節(jié)省研制費(fèi)用節(jié)省研制費(fèi)用10%-40%10%-40%，縮短研制周期，縮短研制周期30%-40%

17、30%-40%。 型號(hào)型號(hào)研制周期研制周期靶試發(fā)數(shù)靶試發(fā)數(shù) AIM-9D1960-1964129 AIM-9L1972-197569 AIM-9M1978-198135 美國(guó)響尾蛇導(dǎo)彈靶試情況美國(guó)響尾蛇導(dǎo)彈靶試情況 1 .4仿真的發(fā)展 一、發(fā)展過程 2.混合仿真時(shí)期：混合仿真時(shí)期：為滿足實(shí)時(shí)仿真的要求，用接口將 數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)連接，形成混合計(jì)算機(jī)。其中，數(shù) 字機(jī)-高精度的慢變過程；模擬機(jī)低精度的快變 過程。 1.模擬仿真時(shí)期模擬仿真時(shí)期：采用模擬計(jì)算機(jī) 40年代末專用模擬機(jī)； 50年代初通用模擬機(jī)。 3.數(shù)字仿真時(shí)期數(shù)字仿真時(shí)期 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展-硬件 數(shù)值算法發(fā)展 -理論 仿真語言發(fā)展 -軟件 4. 現(xiàn)代仿真技術(shù)時(shí)期現(xiàn)代仿真技術(shù)時(shí)期 仿真可視化 仿真過程智能化 仿真發(fā)展過程 智能仿真 云仿真/云計(jì)算 21世紀(jì) 二、發(fā)展趨勢(shì) 2.仿真