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第一章第一章 控制系统仿真及概述控制系统仿真及概述 控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。本章本章重点：重点：控制系统仿真的基本概念 系统仿真的目的和分类 系统仿真软件的发展 一、一、控制系统仿真的基本概念控制系统仿真的基本概念 系系系系统统统统：系系系系统统统统是是是是物物物物质质质质世世世世界界界界中中中中相相相相互互互互制制制制约约约约又又又又相相相相互互互互联联联联系系系系着着着着的的的的、以以以以期期期期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。“系系系系统统统统”是是是是一一一一个个个个很很很很大大大大的的的的概概概概念念念念，通通通通常常常常研研研研究究究究的的的的系系系系统统统统有有有有工工工工程程程程系系系系统统统统和非工程系统。和非工程系统。和非工程系统。和非工程系统。工工工工程程程程系系系系统统统统有有有有：电电电电力力力力拖拖拖拖动动动动自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统、机机机机械械械械系系系系统统统统、水水水水力力力力、冶金、化工、热力学系统等。冶金、化工、热力学系统等。冶金、化工、热力学系统等。冶金、化工、热力学系统等。非非非非工工工工程程程程系系系系统统统统：宇宇宇宇宙宙宙宙、自自自自然然然然界界界界、人人人人类类类类社社社社会会会会、经经经经济济济济系系系系统统统统、交交交交通通通通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。系统、管理系统、生态系统、人口系统等。系统、管理系统、生态系统、人口系统等。系统、管理系统、生态系统、人口系统等。模模模模型型型型：模模模模型型型型是是是是对对对对所所所所要要要要研研研研究究究究的的的的系系系系统统统统在在在在某某某某些些些些特特特特定定定定方方方方面面面面的的的的抽抽抽抽象象象象。通通通通过过过过模模模模型型型型对对对对原原原原型型型型系系系系统统统统进进进进行行行行研研研研究究究究，将将将将具具具具有有有有更更更更深深深深刻刻刻刻、更更更更集集集集中中中中的的的的特点。特点。特点。特点。模模模模型型型型分分分分为为为为物物物物理理理理模模模模型型型型和和和和数数数数学学学学模模模模型型型型两两两两种种种种。数数数数学学学学模模模模型型型型可可可可分分分分为为为为机机机机理理理理模型、统计模型与混合模型。模型、统计模型与混合模型。模型、统计模型与混合模型。模型、统计模型与混合模型。系统仿真的概念系统仿真的概念 系系系系统统统统仿仿仿仿真真真真，就就就就是是是是以以以以系系系系统统统统数数数数学学学学模模模模型型型型为为为为基基基基础础础础，以以以以计计计计算算算算机机机机为为为为工工工工具具具具对对对对系系系系统进统进统进统进行行行行实验实验实验实验研究的一种方法。研究的一种方法。研究的一种方法。研究的一种方法。要要要要对对对对系系系系统统统统进进进进行行行行研研研研究究究究，首首首首先先先先要要要要建建建建立立立立系系系系统统统统的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型。对对对对于于于于一一一一个个个个简简简简单单单单的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型，可可可可以以以以采采采采用用用用分分分分析析析析法法法法或或或或数数数数学学学学解解解解析析析析法法法法进进进进行行行行研研研研究究究究，但但但但对对对对于于于于复复复复杂杂杂杂的的的的系系系系统统统统，则则则则需要借助于仿真的方法来研究。需要借助于仿真的方法来研究。需要借助于仿真的方法来研究。需要借助于仿真的方法来研究。仿仿仿仿真真真真就就就就是是是是模模模模仿仿仿仿真真真真实实实实的的的的事事事事物物物物，也也也也就就就就是是是是用用用用一一一一个个个个模模模模型型型型（包包包包括括括括物物物物理理理理模模模模型型型型和和和和数数数数学学学学模模模模型型型型）来来来来模模模模仿仿仿仿真真真真实实实实的的的的系系系系统统统统，对对对对其其其其进进进进行行行行实实实实验验验验研研研研究究究究。用用用用物物物物理理理理模模模模型型型型来来来来进进进进行行行行仿仿仿仿真真真真一一一一般般般般称称称称为为为为物物物物理理理理仿仿仿仿真真真真，它它它它主主主主要要要要是是是是应应应应用用用用几几几几何何何何相相相相似似似似及及及及环环环环境境境境条条条条件件件件相相相相似似似似来来来来进进进进行行行行。而而而而由由由由数数数数学学学学模模模模型型型型在在在在计计计计算算算算机机机机上上上上进进进进行行行行实实实实验验验验研研研研究究究究的的的的仿仿仿仿真真真真一一一一般般般般则则则则称称称称为为为为数数数数字字字字仿仿仿仿真真真真。我我我我们们们们这这这这里里里里讲讲讲讲的是后一种仿真。的是后一种仿真。的是后一种仿真。的是后一种仿真。数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。为数字仿真，又称计算机仿真。为数字仿真，又称计算机仿真。为数字仿真，又称计算机仿真。计算机仿真的三个基本要素计算机仿真的三个基本要素 计计计计算算算算机机机机仿仿仿仿真真真真包包包包括括括括三三三三个个个个基基基基本本本本要要要要素素素素：系系系系统统统统、模模模模型型型型与与与与计计计计算算算算机机机机。它它它它们之间的关系如下：们之间的关系如下：们之间的关系如下：们之间的关系如下：仿真实验仿真实验仿真实验仿真实验数学模型建立数学模型建立数学模型建立数学模型建立仿真模型建立仿真模型建立仿真模型建立仿真模型建立系统系统系统系统模型模型模型模型计算机计算机计算机计算机 数数数数学学学学模模模模型型型型建建建建立立立立：实实实实际际际际上上上上是是是是一一一一个个个个模模模模型型型型辩辩辩辩识识识识的的的的过过过过程程程程。所所所所建建建建模模模模型型型型常常常常常常常常是是是是忽忽忽忽略略略略了了了了一些次要因素的简化模型。一些次要因素的简化模型。一些次要因素的简化模型。一些次要因素的简化模型。仿仿仿仿真真真真模模模模型型型型建建建建立立立立：即即即即是是是是设设设设计计计计一一一一种种种种算算算算法法法法，以以以以使使使使系系系系统统统统模模模模型型型型能能能能被被被被计计计计算算算算机机机机接接接接受受受受并并并并能能能能在在在在计计计计算算算算机机机机上上上上运运运运行行行行。显显显显然然然然，由由由由于于于于在在在在算算算算法法法法设设设设计计计计上上上上存存存存在在在在着着着着误误误误差差差差，所所所所以以以以仿仿仿仿真真真真模模模模型型型型对对对对于实际系统将是一个二次简化模型。于实际系统将是一个二次简化模型。于实际系统将是一个二次简化模型。于实际系统将是一个二次简化模型。仿仿仿仿真真真真实实实实验验验验：即即即即是是是是对对对对模模模模型型型型的的的的运运运运算算算算。需需需需要要要要设设设设计计计计一一一一个个个个合合合合理理理理的的的的、服服服服务务务务于于于于系系系系统统统统研研研研究究究究的仿真软件。的仿真软件。的仿真软件。的仿真软件。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。系统仿真的基本过程系统仿真的基本过程 （1 1 1 1）建立系统的数学模型；）建立系统的数学模型；）建立系统的数学模型；）建立系统的数学模型；（2 2 2 2）转换成仿真模型；）转换成仿真模型；）转换成仿真模型；）转换成仿真模型；（3 3 3 3）编写仿真程序；）编写仿真程序；）编写仿真程序；）编写仿真程序；（4 4 4 4）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，确认模型的正确性；确认模型的正确性；确认模型的正确性；确认模型的正确性；（5 5 5 5）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统 进行反复分析和研究。进行反复分析和研究。进行反复分析和研究。进行反复分析和研究。系统仿真的目的及其作用：系统仿真的目的及其作用：系统仿真的目的及其作用：系统仿真的目的及其作用：1 1 1 1优优优优化化化化设设设设计计计计：在在在在复复复复杂杂杂杂系系系系统统统统建建建建立立立立之之之之前前前前能能能能够够够够预预预预测测测测系系系系统统统统性性性性能能能能和和和和参参参参数数数数，使设计的控制系统达到最优指标。使设计的控制系统达到最优指标。使设计的控制系统达到最优指标。使设计的控制系统达到最优指标。2 2 2 2经济性：直接在实物上实验成本昂贵。如发射人造卫星等。经济性：直接在实物上实验成本昂贵。如发射人造卫星等。经济性：直接在实物上实验成本昂贵。如发射人造卫星等。经济性：直接在实物上实验成本昂贵。如发射人造卫星等。3 3 3 3安安安安全全全全性性性性：某某某某些些些些系系系系统统统统如如如如果果果果直直直直接接接接实实实实验验验验往往往往往往往往是是是是很很很很危危危危险险险险的的的的，也也也也是是是是不不不不允许的。如核电站。允许的。如核电站。允许的。如核电站。允许的。如核电站。4 4 4 4预预预预测测测测性性性性：对对对对于于于于经经经经济济济济、社社社社会会会会、生生生生物物物物等等等等非非非非工工工工程程程程系系系系统统统统，直直直直接接接接实实实实验验验验几几几几乎乎乎乎是是是是不不不不可可可可能能能能的的的的，仿仿仿仿真真真真可可可可预预预预测测测测系系系系统统统统的的的的特特特特性性性性和和和和外外外外作作作作用用用用的的的的影影影影响响响响，从而研究控制的策略。从而研究控制的策略。从而研究控制的策略。从而研究控制的策略。二、系统仿真的目的和分类二、系统仿真的目的和分类 系统仿真的分类系统仿真的分类 按系统的模型特征分：按系统的模型特征分：按系统的模型特征分：按系统的模型特征分：（1 11 1）连续系统仿真：）连续系统仿真：）连续系统仿真：）连续系统仿真：当当当当系系系系统统统统的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是由由由由微微微微分分分分方方方方程程程程（或或或或差差差差分分分分方方方方程程程程）描描描描述述述述时时时时，该该该该系系系系统统统统的的的的仿仿仿仿真真真真过程称连续系统仿真。仿真方法主要是微分方程的数值求解方法。过程称连续系统仿真。仿真方法主要是微分方程的数值求解方法。过程称连续系统仿真。仿真方法主要是微分方程的数值求解方法。过程称连续系统仿真。仿真方法主要是微分方程的数值求解方法。（2 22 2）离散事件系统仿真：）离散事件系统仿真：）离散事件系统仿真：）离散事件系统仿真：当当当当系系系系统统统统的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是由由由由随随随随机机机机事事事事件件件件、随随随随机机机机函函函函数数数数来来来来描描描描述述述述时时时时，该该该该系系系系统统统统仿仿仿仿真真真真的的的的过过过过程程程程一一一一般般般般称称称称为为为为离离离离散散散散事事事事件件件件系系系系统统统统仿仿仿仿真真真真。其其其其仿仿仿仿真真真真方方方方法法法法主主主主要要要要建建建建立立立立在在在在概概概概率率率率论论论论的的的的基基基基础础础础之之之之上。上。上。上。（3 33 3）混合系统仿真：）混合系统仿真：）混合系统仿真：）混合系统仿真：当当当当系系系系统统统统的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是由由由由上上上上述述述述两两两两类类类类模模模模型型型型混混混混合合合合构构构构成成成成时时时时，称称称称为为为为混混混混合合合合系系系系统统统统仿仿仿仿真真真真。其仿真方法是将上述两类方法综合于一体。其仿真方法是将上述两类方法综合于一体。其仿真方法是将上述两类方法综合于一体。其仿真方法是将上述两类方法综合于一体。（4 44 4）系统动力学仿真：）系统动力学仿真：）系统动力学仿真：）系统动力学仿真：当当当当对对对对象象象象的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是用用用用系系系系统统统统动动动动力力力力学学学学方方方方程程程程式式式式来来来来描描描描述述述述时时时时，该该该该系系系系统统统统的的的的仿仿仿仿真真真真称称称称为为为为系统动力学仿真。系统动力学仿真。系统动力学仿真。系统动力学仿真。按计算机类型分：按计算机类型分：按计算机类型分：按计算机类型分：（1 1 1 1）模模模模拟拟拟拟计计计计算算算算机机机机仿仿仿仿真真真真：模模模模拟拟拟拟仿仿仿仿真真真真是是是是基基基基于于于于数数数数学学学学模模模模型型型型相相相相似似似似原原原原理理理理的的的的一一一一种种种种方方方方法法法法。模模模模拟拟拟拟计计计计算算算算机机机机由由由由一一一一些些些些基基基基本本本本的的的的模模模模拟拟拟拟运运运运算算算算部部部部件件件件组组组组成成成成，这这这这些些些些运运运运算算算算部部部部件件件件有有有有：积积积积分分分分器器器器、加加加加法法法法器器器器、系系系系数数数数器器器器、函函函函数数数数发发发发生生生生器器器器、乘乘乘乘法法法法器器器器等等等等。模模模模拟拟拟拟计计计计算算算算机机机机是是是是并并并并行行行行运运运运算算算算的的的的，运运运运算算算算速速速速度度度度快快快快，但但但但精精精精度度度度不不不不高高高高，由由由由于于于于它它它它可可可可以以以以实实实实现现现现传传传传递递递递函函函函数数数数为为为为1/1/1/1/s s s s的的的的积积积积分分分分运运运运算算算算，可可可可以以以以方方方方便便便便地地地地求解微分方程。求解微分方程。求解微分方程。求解微分方程。（2 2 2 2）数数数数字字字字计计计计算算算算机机机机仿仿仿仿真真真真：数数数数字字字字计计计计算算算算机机机机仿仿仿仿真真真真是是是是基基基基于于于于数数数数值值值值计计计计算算算算原原原原理理理理的的的的仿仿仿仿真真真真，它它它它的的的的主主主主要要要要工工工工具具具具是是是是：数数数数字字字字计计计计算算算算机机机机和和和和相相相相应应应应的的的的数数数数字字字字仿仿仿仿真真真真软软软软件件件件。应应应应用用用用数数数数字字字字计计计计算算算算机机机机仿仿仿仿真真真真的的的的首首首首要要要要步步步步骤骤骤骤是是是是必必必必须须须须把把把把数数数数学学学学模模模模型型型型离离离离散散散散化，因化，因化，因化，因为为为为数字数字数字数字计计计计算机本身就是一个离散系算机本身就是一个离散系算机本身就是一个离散系算机本身就是一个离散系统统统统。系统仿真的分类（二）系统仿真的分类（二）三、三、系统仿真软件的发展系统仿真软件的发展 系系系系统统统统仿仿仿仿真真真真软软软软件件件件是是是是一一一一类类类类面面面面向向向向仿仿仿仿真真真真用用用用途途途途的的的的计计计计算算算算机机机机应应应应用用用用软软软软件件件件，其其其其功能一般是：功能一般是：功能一般是：功能一般是：1.1.1.1.源语言的规范与处理；源语言的规范与处理；源语言的规范与处理；源语言的规范与处理；2.2.2.2.仿真的执行控制；仿真的执行控制；仿真的执行控制；仿真的执行控制；3.3.3.3.数据的分析与显示；数据的分析与显示；数据的分析与显示；数据的分析与显示；4.4.4.4.模型、程序、数据、图形的存储与检索。模型、程序、数据、图形的存储与检索。模型、程序、数据、图形的存储与检索。模型、程序、数据、图形的存储与检索。系系系系统统统统仿仿仿仿真真真真技技技技术术术术是是是是从从从从50505050年年年年代代代代计计计计算算算算机机机机诞诞诞诞生生生生开开开开始始始始的的的的。近近近近三三三三十十十十年年年年来来来来，随随随随着着着着计计计计算算算算机机机机技技技技术术术术的的的的飞飞飞飞速速速速发发发发展展展展，出出出出现现现现了了了了许许许许多多多多优优优优秀秀秀秀的的的的计计计计算算算算机应用软件，还有专用的仿真语言。机应用软件，还有专用的仿真语言。机应用软件，还有专用的仿真语言。机应用软件，还有专用的仿真语言。软件的发展可分为三个阶段软件的发展可分为三个阶段 软软软软件件件件包包包包阶阶阶阶段段段段 ：一一一一般般般般由由由由BasicBasicBasicBasic语语语语言言言言或或或或FortranFortranFortranFortran语语语语言言言言编编编编成成成成某某某某类类类类仿仿仿仿真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编写上。真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编写上。真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编写上。真的软件包。仿真的早期工作集中在软件包的编写上。交交交交互互互互式式式式语语语语言言言言阶阶阶阶段段段段：60606060年年年年代代代代-70-70-70-70年年年年代代代代出出出出现现现现了了了了一一一一些些些些专专专专用用用用的的的的仿仿仿仿真真真真语语语语言言言言，虽虽虽虽然然然然有有有有了了了了人人人人机机机机交交交交互互互互，但但但但应应应应用用用用起起起起来来来来仍仍仍仍不不不不是是是是十十十十分分分分方方方方便便便便，必必必必须须须须有有有有严严严严格的格式格的格式格的格式格的格式 。面面面面向向向向对对对对象象象象的的的的程程程程序序序序环环环环境境境境阶阶阶阶段段段段：70707070年年年年代代代代末末末末，80808080年年年年代代代代初初初初出出出出现现现现了了了了很很很很多多多多实实实实用用用用的的的的具具具具有有有有良良良良好好好好人人人人机机机机交交交交互互互互功功功功能能能能的的的的软软软软件件件件，MATLABMATLABMATLABMATLAB就就就就是是是是一一一一个个个个成成成成功功功功的范例。的范例。的范例。的范例。四、本课程主要讲授内容四、本课程主要讲授内容 1.1.1.1.MATLABMATLABMATLABMATLAB语言基础与程序设计语言基础与程序设计语言基础与程序设计语言基础与程序设计2.2.2.2.MATLABMATLABMATLABMATLAB的绘图功能的绘图功能的绘图功能的绘图功能3.3.3.3.MATLABMATLABMATLABMATLAB在控制系统仿真及辅助设计中的应用在控制系统仿真及辅助设计中的应用在控制系统仿真及辅助设计中的应用在控制系统仿真及辅助设计中的应用4.4.4.4.SIMULINKSIMULINKSIMULINKSIMULINK的使用与仿真的使用与仿真的使用与仿真的使用与仿真5.5.5.5.MATLABMATLABMATLABMATLAB工具箱简介工具箱简介工具箱简介工具箱简介