控制系統(tǒng)仿真第一章

前言是一種模仿行為。仿真：仿真：通過有效模型對真實或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)

實驗研究的綜合性模擬試驗。仿真實際的系統(tǒng)。模仿仿真技術(shù)：以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合集成計算機、

自動控制、網(wǎng)絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程信息處理等眾多領(lǐng)域的一門實驗技術(shù)。建立在模型基礎(chǔ)上的實驗技術(shù)。仿真技術(shù)：仿真技術(shù)：起源于軍事領(lǐng)域，用于對實彈打靶的模擬仿真，以減少多次實彈打靶的費用。航天、航空、兵器、船舶、水利水電電子、通訊、機械、天文、經(jīng)濟領(lǐng)域、信息領(lǐng)域仿真技術(shù)的發(fā)展：以強勁的有效需求為牽引以強大的經(jīng)費支持做后盾航天、航空、兵器、船舶等部門的多個研究所都有不同規(guī)格、不同用途的仿真實驗室。第一章緒論1.1基本概念1.2仿真的分類1.3仿真的優(yōu)點及應(yīng)用1.4仿真的發(fā)展1.5教學(xué)準備及安排1.1基本概念一、控制系統(tǒng)1.圖示由被控對象及使被控對象按人的意愿運行的控制器組成的閉合回路。廣義被控對象2.組成廣義控制器包括三部分a.計算裝置模擬式----運放搭成的模擬控制器數(shù)字式----計算機b.作動器電、液、氣、熱裝置等c.測量反饋裝置測速，測位，測溫3.特點：控制系統(tǒng)是實體的集合。

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：控制精度、超調(diào)、振蕩次數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計：確定控制器的類型、結(jié)構(gòu)、參數(shù)。這是一個設(shè)計、驗證、再設(shè)計、再驗證的反復(fù)過程。驗證：仿真驗證、實驗驗證。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)模型是控制系統(tǒng)某種特定性能的一種抽象形式。例如：電機的調(diào)速特性：n=Km*v電機的速度響應(yīng)：k/（Ts+1）靜態(tài)特性動態(tài)特性機電時間常數(shù)電磁時間常數(shù)輸入輸出的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系過渡過程：輸出與時間的關(guān)系k/（T’s2+Ts+1）三、控制系統(tǒng)建模1.建模方法建模是仿真的基礎(chǔ)。分析法：運用已知的定理、定律推導(dǎo)計算。實驗法：將系統(tǒng)視為黑箱，加入激勵信號，測量其輸出。綜合法：將分析法與實驗法相結(jié)合。用分析法確定模型結(jié)構(gòu)，用實驗法確定參數(shù)。2.建模要求相似：動態(tài)過程相似精確：模型中的數(shù)據(jù)要正確反映控制系統(tǒng)中的定量關(guān)系。相關(guān)：模型只保留與研究目的相關(guān)的部分，合理簡化。（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。（2）數(shù)學(xué)模型的建立必須針對特定的應(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。直流電動機建模：分析法簡化+JL直流電動機建模：分析法電樞回路方程反電勢轉(zhuǎn)動軸上的力矩方程輸入-輸出頻譜分析伺服系統(tǒng)建模：綜合法模型擬合四、控制系統(tǒng)仿真對控制系統(tǒng)的模型進行實驗研究仿真過程： 主要包括以下幾個階段：問題描述，系統(tǒng)模型建立，模型轉(zhuǎn)換，模型校核、驗證和確認，實驗方案制定，仿真實驗、結(jié)果分析。1.2仿真的分類數(shù)學(xué)仿真：對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進行實驗的過程稱為數(shù)學(xué)仿真。數(shù)學(xué)仿真優(yōu)點：方便、靈活、經(jīng)濟數(shù)學(xué)仿真缺點：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functiondotx=func4(t,x)a=[010;001;-22.06-27-10];b=[0;0;40.6];dotx=a*x+b;物理仿真：按照真實系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進行實驗的過程稱為物理仿真。物理仿真的缺點：模型改變困難，實驗限制多，投資較大。物理仿真的優(yōu)點：直觀、形象，也稱為“模擬”。飛機的風(fēng)洞試驗汽車碰撞試驗……半物理仿真：將數(shù)學(xué)模型與物理模型或?qū)嵨锫?lián)合起來進行實驗。對系統(tǒng)中比較簡單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，并在計算機上加以實現(xiàn)。對比較復(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?。仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的實驗。是目前應(yīng)用最廣的一種仿真模式。被試件（實物）被試件（實物）仿真設(shè)備：模擬姿態(tài)運動（三軸轉(zhuǎn)臺）主仿真機：數(shù)學(xué)模型某型飛機半物理仿真框圖被試件（實物）仿真設(shè)備：模擬姿態(tài)運動（三軸轉(zhuǎn)臺）主仿真機：數(shù)學(xué)模型仿真設(shè)備：模擬無線電特性某型導(dǎo)彈半物理仿真框圖某型導(dǎo)彈半物理仿真框圖被試件（實物）仿真設(shè)備：模擬姿態(tài)運動（三軸轉(zhuǎn)臺）主仿真機：數(shù)學(xué)模型模擬計算機仿真這是50－60年代普遍采用的仿真設(shè)備。將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在模擬機上加以實現(xiàn)，并進行實驗稱為模擬計算機仿真。2.根據(jù)仿真計算機類型分類模擬機仿真是一種并行仿真，仿真時，代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。為了發(fā)揮模擬計算機并行計算和數(shù)字計算機強大的存貯記憶及控制功能，以實現(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算機上運行，另一部分放在數(shù)字計算機上運行，兩個計算機之間利用模/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)模型用計算機程序加以實現(xiàn)，通過運行程序來得到數(shù)學(xué)模型的解，從而達到系統(tǒng)仿真的目的。數(shù)字計算機仿真則是一種串行仿真，因為計算機只有一個中央處理器（CPU），計算機指令只能逐條執(zhí)行。數(shù)字計算機仿真在計算機網(wǎng)絡(luò)上進行的仿真。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……實時仿真仿真時鐘與實際時鐘完全一致，模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同。當(dāng)被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r，必須進行實時仿真。故物理仿真和半物理仿真均為實時仿真。3.根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系分類實際動態(tài)系統(tǒng)的時間稱為實際時鐘，系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真時鐘。仿真時鐘快于實際時鐘，模型仿真的速度快于實際系統(tǒng)運行的速度。亞實時仿真（欠實時仿真）仿真時鐘慢于實際時鐘，模型仿真的速度慢于實際系統(tǒng)運行的速度，也稱為離線仿真。超實時仿真連續(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)模型的特性分類離散時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)生在隨機時間點上,這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動的；

“事件”往往發(fā)生在隨機時間點上，亦稱為隨機事件，因而一般都具有隨機特性；系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化的，系統(tǒng)的動態(tài)特性很難用人們所熟悉的數(shù)學(xué)方程形式描述，研究分析的主要目標是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計性能而不是行為的點軌跡。離散事件系統(tǒng)是指在某些隨機時間點上系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。例如：排隊系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)仿真與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別1.3仿真的優(yōu)點及應(yīng)用一、優(yōu)點1.安全可靠，無破壞性/破壞性可控2.經(jīng)濟效益好3.縮短研制周期4.可多次重復(fù)二、應(yīng)用/目的在控制系統(tǒng)設(shè)計的整個過程中，仿真技術(shù)都得到應(yīng)用。方案論證階段數(shù)學(xué)仿真簡化的數(shù)學(xué)模型確定總體方案設(shè)計階段數(shù)學(xué)仿真為主物理仿真為輔精確的數(shù)學(xué)模型元部件為實物確定元部件及控制策略樣機驗證階段物理仿真為主數(shù)學(xué)仿真為輔控制器為實物精確的數(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/元部件為實物精確的數(shù)學(xué)模型故障分析；系統(tǒng)改進美國三種典型導(dǎo)彈研制過程中仿真技術(shù)的作用計劃發(fā)射（枚）實際發(fā)設(shè)（枚）節(jié)省導(dǎo)彈（枚）節(jié)省費用（千萬美元）愛國者141101408．0羅蘭特224951294．2尾刺185114712．5節(jié)省研制費用10%-40%，縮短研制周期30%-40%。型號研制周期靶試發(fā)數(shù)AIM-9D1960-1964129AIM-9L1972-197569AIM-9M1978-198135美國響尾蛇導(dǎo)彈靶試情況1.4仿真的發(fā)展一、發(fā)展過程2.混合仿真時期：為滿足實時仿真的要求，用接口將數(shù)字機與模擬機連接，形成混合計算機。其中，數(shù)字機---高精度的慢變過程；模擬機—低精度的快變過程。1.模擬仿真時期：采用模擬計算機40年代末—專用模擬機；50年代初—通用模擬機。3.數(shù)字仿真時期

計算機技術(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/云計算21世紀二、發(fā)展趨勢2.仿真集成環(huán)境技術(shù)方向：數(shù)