第一章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)概述30405.ppt

1、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 控制系統(tǒng)仿真,電氣工程系 孫妙平 二0一0年九月,通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前 流行的演算式MATLAB語言的基本知識(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)。,課程任務(wù),學(xué)時(shí)安排與考試形式總學(xué)時(shí)：32（其中上機(jī)學(xué)時(shí)8）考查方式：實(shí)驗(yàn)+考試,第一章 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)概述（1）第二章 MATLAB語言基礎(chǔ)（5）第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與建模（4）第四章 控制系統(tǒng)的分析方法（4）第五章 SIMULINK仿真基礎(chǔ)（6）,教學(xué)內(nèi)容,參考書目,Matlab語言與控制系統(tǒng)仿真，北京工業(yè)大學(xué)

2、出版社，2006，孫亮 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD，機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社，2005年，張曉華 控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，2006年，薛定宇,CH1、計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)概述,第一節(jié) 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本概念 一、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的方法（系統(tǒng)的概念） 二、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真的概念 1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能力，結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。,說明：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從廣義上來講它包含了計(jì)算機(jī)仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作是利

3、用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來處理設(shè)計(jì)者手工處理所遇到的不便與繁瑣。 2、計(jì)算機(jī)仿真的概念 仿真的定義 仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對(duì)真實(shí)過程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。 計(jì)算機(jī)仿真的定義 計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。,1、模型的定義 模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。 2、模型的分類 （1）物理模型 指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。 （2）數(shù)學(xué)模型 是從一定的功

4、能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。,三、計(jì)算機(jī)仿真模型,（3）仿真模型 指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。 四、計(jì)算機(jī)仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）1、三要素 （1）系統(tǒng)：研究的對(duì)象 （2）模型：系統(tǒng)的抽象 （3）計(jì)算機(jī)：工具與手段,2、基本步驟 包括三個(gè)基本的內(nèi)容：建模仿真實(shí)驗(yàn) 結(jié)果分析,第二節(jié)仿真的分類,一、按模型分類 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，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），具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。 2、數(shù)學(xué)仿真：

5、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。,二、按計(jì)算機(jī)類型分類,1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。50年代 描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動(dòng)化程度低。 模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分，它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要部件所構(gòu)成。 2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。60年代,計(jì)算與仿真的精度較高。理論上計(jì)算機(jī)的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計(jì)，因此其仿真精度可以是無限，但是由

6、于受到誤差積累、仿真時(shí)間等因素影響，其精度也不易定得太高。 對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度較高，可方便地實(shí)現(xiàn)顯示、打印等功能。 計(jì)算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會(huì)在不同程度上有所改進(jìn)與提高。 數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計(jì)人員用高級(jí)程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。,3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。 4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，使用方便，易學(xué)。80年代以來,第三節(jié)仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用 1、航空與

7、航天工業(yè) 飛行器設(shè)計(jì)中的三級(jí)仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行實(shí)驗(yàn)。 飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。 2、電力工業(yè) 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)：電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制等。 電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。,3、原子能工業(yè) 模擬核反應(yīng)堆 核電站仿真器用來訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理。 4、石油、化工及冶金工業(yè) 5、非工程領(lǐng)域 醫(yī)學(xué) 社會(huì)學(xué) 宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究,二、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義,1、經(jīng)濟(jì) 大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實(shí)驗(yàn)是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實(shí)驗(yàn)的成本約在1億美元左右，而采用仿真實(shí)驗(yàn)僅需其成本的1/101/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使

8、用。 2、安全 某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實(shí)驗(yàn)往往會(huì)有很大的危險(xiǎn)，甚至是不允許的，而采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險(xiǎn)程度，對(duì)系統(tǒng)的研究起到保障作用。,3、快捷 提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。 4、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能 對(duì)一些真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常困難的，這時(shí)仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。 在非工程系統(tǒng)中（如社會(huì)、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實(shí)驗(yàn)幾乎不可能，這時(shí)通過仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對(duì)系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識(shí)。,三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),1、硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿

9、真的實(shí)時(shí)性。 2、應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。 3、分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)調(diào)合作，投資少，效果好。 4、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人置身于真實(shí)環(huán)境之中。,第四節(jié)計(jì)算機(jī)仿真軟件,一、仿真軟件的發(fā)展 1、程序編程階段 所有問題（如：微分方程求解、矩陣運(yùn)算、繪圖等）都是用高級(jí)算法語言（如C、FORTRAN等）來編寫。 2、程序軟件包階段 出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫”。 3、交互式語言階段

10、（仿真語言） 仿真語言可用一條指令實(shí)現(xiàn)某種功能，如“系統(tǒng)特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實(shí)現(xiàn)等低級(jí)問題。,4、模型化圖形組態(tài)階段 符合設(shè)計(jì)人員對(duì)基于模型圖形化的描述。 二、幾種仿真軟件 1、PSPICE、ORCAD：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級(jí)仿真。 2、SYSTEM VIEW：系統(tǒng)級(jí)的電路動(dòng)態(tài)仿真軟件 3、MATLAB：具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運(yùn)行，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計(jì)算機(jī)語言，而是一種高級(jí)的科學(xué)分析與計(jì)算軟件。 4、SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。,本章小結(jié),仿真是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究的一種實(shí)驗(yàn)方法，它的基本原則是相似性原理。 數(shù)字仿真具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷的特點(diǎn)。