文獻(xiàn)綜述串級(jí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

1、串級(jí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)XX大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)XX級(jí)XX指導(dǎo)教師：XX大學(xué) XX摘要：串級(jí)控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質(zhì)的一種極為有效的控制方案，隨著現(xiàn)代科技 的迅速展，我們也擁有了更多更好的方法去設(shè)計(jì)和控制一個(gè)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真 就是兩種非常實(shí)用的技術(shù)。本文介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的由來(lái)及發(fā)展情況，控制領(lǐng)域 取得的理論成果，通過(guò)與其它語(yǔ)言對(duì)比，突出MATLAB的特點(diǎn)及其深受歡迎的原因，詳細(xì)闡 述仿真技術(shù)的硬件、軟件發(fā)展和計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程。關(guān)鍵詞：串級(jí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真技術(shù)Cascade Control System Computer Aided Des

2、ignCao shiyangAutomation， Computer Science and Information Engineering CollegeChongqing Technology and Business UniversityTeacher： Deng LiAbstract: Cascade control system is to improve and enhance quality control of a very effective control program,with the rapid exhibition of modern science and tec

3、hnology,we also have more and better ways to design and control a system, computer-aided design and simulation is two very practical technology.This paper introduces the computer-aided design technolo- gy,the origin and development of control theory to obtain results, by contrast with other language

4、s,highlighting the features of MATLAB and its reasons for the popularity of detailed simulation technology hardware, software development and computer simulation the general process.Key words: Cascade Control System， Computer， Simulation Technology研究背景自動(dòng)化技術(shù)是信息科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要分支。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)迅速 發(fā)展，已成為高

5、科技學(xué)科的重要組成部分，自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一 個(gè)重要標(biāo)志。過(guò)程控制(process control)通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工 業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，它是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部 分。從控制的角度出發(fā)，可以把工業(yè)分成三類：連續(xù)型、離散型和混合型。習(xí)慣上，把連續(xù) 型工業(yè)稱為過(guò)程工業(yè)(process industry)，有時(shí)為突出其流動(dòng)的性質(zhì)也稱為流程(fluid process industries) 0在連續(xù)型工業(yè)過(guò)程中，包括了連續(xù)的信息流、物質(zhì)流和能量流。過(guò) 程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)

6、指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng) 生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著越來(lái)越大的作用?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展早期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)算出來(lái)，如Ziegler與Nichols于1942 年提出的PID經(jīng)驗(yàn)公式就可以十分容易地設(shè)計(jì)出來(lái)。隨著控制理論的迅速發(fā)展，控制器的設(shè) 計(jì)也越來(lái)越困難，這樣光利用紙筆以及計(jì)算器等簡(jiǎn)單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之 在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aided control system design， CACSD)方法?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的

7、水平，并一直受到控制界的 普遍重視。早在1982年12月和1984年12月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國(guó)際上最權(quán)威的IEEE控制 系統(tǒng)學(xué)會(huì)(Control Systems Society， CSS)的控制系統(tǒng)雜志(Control Systems Magazine) 和IEEE學(xué)會(huì)的科研報(bào)告集(Proceedings of IEEE)分別第一次出版了關(guān)于CACSD的?？?國(guó)著名學(xué)者Jamshidi與Herget分別于1985年和1992年出版了兩本著作來(lái)展示CACSD領(lǐng)域 的最新進(jìn)展。在如國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)世界大會(huì)(IFAC World Congress) 美國(guó)控制會(huì)議(American Control

8、 Conference， ACC) 及 IEEE 的控制與決策會(huì)議(Conference on Control and Decision，CDC)等各種國(guó)際控制界的重要學(xué)術(shù)會(huì)議上都有有關(guān)CACSD的專題會(huì)議及各種研討 會(huì)，可見該領(lǐng)域的發(fā)展是異常迅速的。控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)又常常稱作計(jì)算機(jī)輔助控制 系統(tǒng)工程(computer-aided control system engineering， CACSE)。近三十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，在控制系 統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域更是如此，各類CACSD軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，有的是用FORTRAN 語(yǔ)言編寫的軟件包

9、，有的是人機(jī)交互式軟件系統(tǒng)，還有專用的仿真語(yǔ)言，在國(guó)際控制界廣泛 使用的這類軟件就有幾十種之多。MATLAB語(yǔ)言出現(xiàn)以來(lái)，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的 歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響力的通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，成為控制界學(xué)者的首選。MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)介控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CACSD)從成為一門單獨(dú)的學(xué)科以來(lái)至今已有二十多年的歷史， 在其發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)另外各種各樣的使用工具和理論成果oMATLAB語(yǔ)言的出現(xiàn)不但對(duì)CACSD 算法的研究，也對(duì)其它CACSD軟件環(huán)境的開發(fā)起到了巨大的推動(dòng)作用，它已成為國(guó)際控制界 應(yīng)用最廣的語(yǔ)言和工具了。和其它程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比，MATLAB語(yǔ)言有如下優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)潔高效性

10、：MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言集成度高，語(yǔ)句簡(jiǎn)潔，往往用C/C+等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 編寫的數(shù)百條語(yǔ)句，用MATLAB語(yǔ)言一條語(yǔ)句就能解決問(wèn)題，其程序可靠性高、易于維 護(hù)，可以大大提高解決問(wèn)題的效率和水平。科學(xué)運(yùn)算功能：MATLAB語(yǔ)言以矩陣基本單元，可以直接用于矩陣運(yùn)算。另外，最優(yōu)化問(wèn) 題、數(shù)值微積分為題、微分方程數(shù)值解問(wèn)題、數(shù)據(jù)處理問(wèn)題等都能直接用MATLAB語(yǔ)言 求解。繪圖功能:MATLAB語(yǔ)言可以用最直觀的語(yǔ)句將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果用圖形的方式顯示出 來(lái)，并可以將以往難以顯示出來(lái)的隱函數(shù)直接用曲線繪制出來(lái)。MATLAB語(yǔ)言還允許用戶 用可視的方式編寫圖形用戶界面，其難易程度和Visual Basi

11、c相仿，這使得用戶可以 容易的利用該語(yǔ)言編寫通用程序。龐大的工具相遇模塊集：MATLAB是被控制界的學(xué)者“捧紅”的，是控制界通用的計(jì)算機(jī) 語(yǔ)言，在應(yīng)用數(shù)學(xué)及控制領(lǐng)域幾乎所有的研究方向均有自己的工具箱，而且由領(lǐng)域內(nèi)知 名專家編寫，可信度比較高。隨著MATLAB的日益普及，在其他工程領(lǐng)域也出現(xiàn)了工具 箱，這也大大促進(jìn)了 MATLAB語(yǔ)言在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真功能：Simulink提供的面向框圖的仿真及概念性仿真功能，使得用 戶能容易地建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行仿真分析。Simulink的概念性仿真模塊 集允許用戶在一個(gè)框架下對(duì)含有控制環(huán)節(jié)、機(jī)電環(huán)節(jié)和電子、機(jī)電環(huán)節(jié)的機(jī)電一體化系

12、統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，這是目前其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言無(wú)法做到的。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展概況仿真技術(shù)簡(jiǎn)介仿真就是用模型(物理模型或數(shù)學(xué)模型)代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。它所遵循的基本原 則是相似原理，即幾何相似、環(huán)境相似和性能相似。根據(jù)這個(gè)原理，仿真可分為物理仿真、 數(shù)學(xué)仿真和混合仿真。物理仿真就是應(yīng)用幾何相似原理，制作一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)相似但幾何尺寸較小或較大的物理 模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。它由軟硬件仿真環(huán)境、動(dòng)畫、圖形顯示、輸出打印設(shè)備等組成。在仿真 研究中，數(shù)學(xué)仿真只要有一臺(tái)數(shù)字仿真設(shè)備就可以對(duì)不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和研究， 而且進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作也比較簡(jiǎn)單，主要是被控系統(tǒng)的建模、控制方式的確 立

13、和計(jì)算機(jī)編程。而物理仿真則需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝、接線及調(diào)試工作，其投資 大、周期長(zhǎng)、靈活性差、改變參數(shù)困難、模型難以重復(fù)使用，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理不方便。數(shù)學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間比物理仿真大大縮短，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也比物理仿真簡(jiǎn)單得多。但由于 物理仿真具有信號(hào)連續(xù)、運(yùn)算速度快、直觀形象、可性度高等特點(diǎn)，故至今仍然廣泛使用。 混合仿真有成物理-數(shù)學(xué)仿真，它是把數(shù)學(xué)仿真、物理仿真和實(shí)體結(jié)合起來(lái)，也就是將系統(tǒng) 的一部分描述成數(shù)學(xué)模型，放入計(jì)算機(jī)，而其余部分則構(gòu)建其物理模型或直接采用實(shí)體，組 成一個(gè)復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。這種在仿真環(huán)節(jié)中有部分實(shí)物介入的混合仿真也稱為半實(shí)物仿真或 者半物理仿真。由于數(shù)學(xué)仿真的

14、主要工具是計(jì)算機(jī)，因此一般又稱為“計(jì)算機(jī)仿真”。計(jì)算機(jī)仿真根據(jù)被 研究系統(tǒng)的特征可分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)仿真及離散事件系統(tǒng)仿真。前者可對(duì)系統(tǒng)建立用微 分方程或差分方程描述的數(shù)學(xué)模型，并將其放在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)；后者面對(duì)的是有某種隨 機(jī)事件驅(qū)動(dòng)引發(fā)的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型(通常用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖描述)，并將它放在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行 試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真能夠?yàn)樵S多實(shí)驗(yàn)提供方便、靈活的數(shù)學(xué)模型，因此，凡是可以用模型進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)的，幾乎都可以用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)研究被仿真系統(tǒng)本身的各種特性，選擇最佳參數(shù)和設(shè)計(jì) 最合理的系統(tǒng)方案。計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程可描述如下：根據(jù)仿真的目的確立仿真方案根據(jù)仿真目的確立相應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu)和方法，規(guī)定仿真

15、的邊界條件與約束條件。建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，可以通過(guò)某些基本定律來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。而對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，則必須利 用實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)仿真的依據(jù)，所以數(shù)學(xué)模型 的準(zhǔn)確性十分重要。建立仿真模型就連續(xù)系統(tǒng)而言，就是通過(guò)一定算法對(duì)原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化處理，即建立相應(yīng)的 差分方程。編寫仿真程序?qū)τ诜菍?shí)時(shí)仿真，可用一般高級(jí)語(yǔ)言或仿真語(yǔ)言。對(duì)于快速的實(shí)時(shí)仿真，往往需要用匯編 語(yǔ)言。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境、條件、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄仿真數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和仿真目的對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理，以便修正數(shù)學(xué)模型、仿真模型及仿真 程序，或者修正/改變?cè)拖到y(tǒng)，以

16、進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。模型是否能夠正確的表示系統(tǒng)，并不 是一次完成的，而是需要比較模型和實(shí)際系統(tǒng)的差異，再通過(guò)不斷的修正和驗(yàn)證完成。 通常，將實(shí)際系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)模型，稱之為一次模型化，它涉及系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)問(wèn)題，又稱 為建模問(wèn)題。將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型，稱為二次模型化，它涉 及仿真編程、運(yùn)行、修改參數(shù)等技術(shù)，故稱之為系統(tǒng)仿真技術(shù)。硬件發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，就硬件而言，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了模擬計(jì)算機(jī)，這時(shí)的計(jì)算機(jī)大都是用來(lái)設(shè)計(jì)飛機(jī)的專用計(jì)算機(jī)。20 世紀(jì)50年代初，出現(xiàn)了通用的模擬計(jì)算機(jī)。20世紀(jì)50年代末，數(shù)字計(jì)算機(jī)有了很大發(fā)展， 加上這一時(shí)期在微分方程

17、數(shù)值解的理論方面又有很大的發(fā)展，所以在幾種高級(jí)語(yǔ)(如FORTR- AN,ALGOL等)出現(xiàn)以后，在20世紀(jì)50年代末期，數(shù)字計(jì)算機(jī)便在非實(shí)時(shí)仿真方面開始得 到廣泛的應(yīng)用，用來(lái)解決導(dǎo)彈軌跡的計(jì)算問(wèn)題。20世紀(jì)60年代初期，出現(xiàn)了混合計(jì)算機(jī)商 品。近年以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)已有可能解決高速動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿 真問(wèn)題，所以模擬/數(shù)字混合計(jì)算機(jī)將被數(shù)字計(jì)算機(jī)所取代。軟件發(fā)展在計(jì)算機(jī)硬件飛速發(fā)展的同時(shí)，仿真軟件也有很大的發(fā)展。近幾十年來(lái)，仿真軟件充分 吸收了仿真方法學(xué)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程、系統(tǒng)工程、自動(dòng)控制、 人工智能等技術(shù)成果，從而得到了很大發(fā)展。仿真軟件也從初

18、期的機(jī)器代碼，經(jīng)歷較高級(jí)的 編程語(yǔ)言、面向問(wèn)題描述的仿真語(yǔ)言，發(fā)展到模塊化概念，并進(jìn)而發(fā)展到面向?qū)ο缶幊?、圖 形化模塊變成等。人機(jī)環(huán)境也由初期的圖形支持，到動(dòng)畫、交互式仿真，進(jìn)一步發(fā)展到矢量 的圖形支持，并向虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展。仿真軟件的發(fā)展基本經(jīng)歷了以下5個(gè)階段。通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言1960年左右的FORTRAN，以及具有適應(yīng)并行處理功能的Ada，C+等語(yǔ)言。初級(jí)仿真語(yǔ)言階段19601970年面向框圖的MIDAS；面向大型連續(xù)系統(tǒng)的仿真規(guī)范的CSSL(Continuous System Simulation Language)； CSMP(Continuous System Modeling Program)； 基于差分方程模 型的 DYNAMO(Dynamic Models)；基于離散事件的SIMLIB和 CSL(Control and Simulation Language) ；還有以過(guò)程為基礎(chǔ)的通用仿真系統(tǒng)GPSS(General purpose Simulation System)等。高級(jí)仿真語(yǔ)言階段19701980年商用的連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言SSLIV，DA