2022年控制系统计算机仿真参考答案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 掌握系统运算机仿真（电子工业出版社 蒋珉）参考答案说明：1 对于可以用文字或数字给出的情形,直接给出参考答案；2 对于难以用文字或数字给出的情形,将供应MATLAB程序或 Simulink 模型；目录 ：名师归纳总结 第 1 章绪论第 1 页,共 12 页连续系统数字仿真的基本算法第 2 章采样掌握系统的数字仿真第 3 章掌握系统优化设计与仿真第 4 章掌握系统仿真建模第 5 章仿真的工程应用实例第 6 章- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 第 1 章 绪论1.1 系统是被讨论的对象,模型是对系统的描述,

2、仿真是通过模型讨论系统的一种工具或手段；1.2 数学仿真的基本工具是数字运算机,因此也称为运算机仿真或数字仿真；将数学模型通过肯定的方式转变成能在运算机上实现和运行的数学模型,称之为仿真模型；1.3 由于仿真是在模型上做试验,是一种广义的试验；因此,仿真基本上是一种通过试验来讨论系统的综合试验技术,具有一般试验的性质；而进行试验讨论通常是需要进行试验设计；1.4 解析法又称为分析法,它是应用数学推导、演绎去求解数学模型的方法；仿真法是通过在模型上进行一系列试验来讨论问题的方法；利用解析法求解模型可以得出对问题的一般性答案,而仿真法的每一次运行就只能给出在特定条件下的数值解；,解析法经常是围围着

3、使问题易于求解, 而不是使讨论方法更适合于问题,经常由于存在诸多困难而不能适用；从原就上讲, 仿真法对系统数学模型的形式及复杂程度没有限制,是广泛适用的, 但当模型的复杂程度增大时,试验次数就会快速增加,从而影响使用效率；1.5 仿真可以应用于系统分析、系统设计、理论验证和训练仿真器等方面；1.6 注：此题答案是用82071 下同 ；x100x0u0100y002xMATLAB 中 tf2ss函数给出的,是所谓“ 其次能控标准型”1.7 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3311x0110x0x0uy010031.

4、8 Gs s3s2s3s32425 s1.91 . 368 0 . 368 0 1x k 1 1 0 0 x k 0 u k 0 1 0 0y k 0 0 . 368 0 . 264 x k 1.10 仿真模型见 praxis1_10_1.mdl ；MA TLAB 程序见 praxis1_10_2.m ；第 2 章 连续系统数字仿真的基本算法2.1 仿真模型见 praxis2_1.mdl ；欧拉法： 1.22 RK4 法： 1.2428 解析解： 1.2428 造成差异的缘由是截断项数不同；2.2 仿真模型见 praxis2_2.mdl ；RK4 法： 1.7173 名师归纳总结 - - -

5、- - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 欧拉法： 1.25 2.3 由于方程中有参数k,因此序号用m；欧拉法：ym1 1hymkhTTRK2 法：明显,当h2 Tym1 1hh22ymkhkh2,如h2 T,就h2,超T2 TT2 T2时,数值解将发散；系统的特点值1T出稳固性范畴；2.4 仿真模型见 praxis2_4.mdl ；令x 1y ,x 2y就系统状态方程和输出方程为x 1x 101. 5x 1,x 101x220x2x20 0y欧拉法：x 1,1x ,10hx 2,000 . 5x 2,0x21,x,20h2 x ,1y 0 . 1

6、1RK4 法（过程略）：名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - y0.1 1 .00992.5 仿真模型见 praxis2_5.mdl ；y 0 . 5 0 . 22012.6 仿真模型见 praxis2_6.mdl ,分析自己完成；2.7 K=2.5 时仿真模型见 praxis2_7.mdl ；2.8 p = 1 时仿真模型见praxis2_8_1.mdl praxis2_8_5.mdl ；名师归纳总结 2.9（1）仿真模型见praxis2_9_1.mdl ；第 5 页,共 12 页（2）仿真模型见praxis2_9_

7、2.mdl ；MA TLAB 程序见 time_frac.m ；2.10 仿真模型见praxis2_10.mdl ；2.11 仿真模型见praxis2_11.mdl ；2.12（1）、（ 2）、（3）仿真模型见praxis2_11_1.mdl ；4 仿真模型见praxis2_11_2.mdl ；2.13 仿真模型见praxis2_13.mdl ；2.14 仿真模型见praxis2_14.mdl ；2.15 仿真模型见praxis2_15.mdl ；2.16 1 仿真模型见praxis2_16_1.mdl ；2 仿真模型见praxis2_16_2.mdl ；2.17 仿真模型见praxis2_1

8、7.mdl ；2.18 仿真模型见praxis2_18.mdl ；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.19 1 、（2）仿真模型见praxis2_19_1.mdl ；2.20 （ 3）仿真模型见praxis2_19_2.mdl ；ad 和 bd 中； 1离散化模型的MATLAB程序见 praxis2_20.m,结果在（ 2）、（ 3）自己完成；2.21 （1）离散化模型的MATLAB程序见 praxis2_21_1.m ,结果在 ad 和 bd 中；（ 2）离散化模型的MATLAB程序见 praxis2_21_2.m ,结果在 ad、bd 和 c 中

9、；2.22 系统的系统状态方程和输出方程为xaxauuy bxRK2 法：名师归纳总结 xk1 1aha2h2xkh1ahukhuk1 T；如第 6 页,共 12 页222yk1 ba 1aha2h2xkuk12hba 1ahuk1hba22系统的特点值为a,因此,步长的取值范畴是0h2 a；离散相像法（hT）：ahukuk1 xk1 eahx k11eahukay k1 baeahxk1ba 1ea步长的取值范畴是h0,由于算法是无条件稳固的；u t的变化情形挑选步长2.23 由于对输入信号采纳了零阶保持器,因此必需依据- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - -

10、- 果 ut的变化比较猛烈,就应挑选较小的T 值；反之,可选得大一些；然而,不管T 如何选择,都不会发生运算不稳固的情形；2.24 零阶保持器可以较好地重构出现阶跃和分段阶梯特性的信号；三角保持器可以较好地重构出现阶跃、分段阶梯和线性特性的信号；2.25 两环节间没有采样开关时,系统的方程为x 1 10 x 1 ux 2 x 1y x 2离散化方程为x 1k1e10Tx 1k01. 1e10 Tukx2k10.1 1e10 Tx 1kx 2k0 .1T01.0 .1 e10T ukyk1 x2k1 有X1z .01 1e10 Tz1Uz 1e0 . 01 1e10 T2z2Uz 1e10Tz1

11、X2z 0 . 1 T0 . 1.0 1 e10Tz 1z1 110Tz1脉冲传递函数为G z Yz 0 . 1T0 1.0 1 e10Tz1.0 011.0 T0 . 01 e10 Tz2Uz 1z1 1e10 Tz1两环节间有采样开关时,系统的方程为y 1uyy 1y10离散化方程为名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - y1k1 y1kTuky k1 e10 Tyk11e10 Ty 1k10脉冲传递函数为G z Yz T 1e10Tz2z1Uz 10 1e10Tz1 12.26 采纳双线性变换法G z Yz T21

12、 . 2 T4 T2122z11z22.1 2 T4 z2Uz 2 T8 z T采纳根匹配法Gz Yz 11ab2Uz az1bz其中,a2 e0.3 Tcos 0 . 9539 Tbe.06T2.27 Gz Yz 1eT 1e2 T1eT12 Tz11e3Tz2Uz 2 Tez2.28 实时仿真算法一般应当是快速仿真算法,但并不是全部的快速算法都适用于实时仿真,由于它们不肯定满意实时性需求；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 3 章 采样掌握系统的数字仿真3.1 系统的状态是随时间连续变化的,这类系统称为连续时

13、间系统；可以用差分方程或离散状态方程来描述的系统称为离散时间系统；合系统；采样系统按采样周期 T 重复工作；采样系统是既有连续信号又有离散信号的混采样掌握系统实际存在的采样开关的采样周期,这有异于连续系统离散化时人为引入虚拟的采样开关和保持器,使得运算步长必需与采样周期相匹配；3.2 步长 h 与采样周期T 必需满意条件hT/N其中, N 为正整数；3.3 采样掌握系统仿真通常有差分方程递推求解法、双重循环方法、应用 MATLAB 控制工具箱时域响应分析函数法和 Simulink 仿真法；第 1 种方法简洁易行且仿真精度高；适合于连续部分不要求运算内部状态变量或不含非线性环节的场合；第2 种方

14、法通用性较强；适合于要求得到掌握系统的输出值,或要求得到受控对象内部状态变量的响应,或被控对象中具有典型非线性环节的非线性系统的场合；第 3 种方法特别简洁； 适合于系统整体闭环脉冲传递函数可以写出的场合；第 4 种方法通用性最强；适合于用框图描述的采样掌握系统仿真；3.4 1 MATLAB程序见 praxis3_4_1.m 和 praxis3_4_2.m ；仿真模型见praxis3_4_3.mdl ；2 自己完成；名师归纳总结 3.5 MATLAB程序见 praxis3_5_1.m；仿真模型见praxis3_5_2.mdl ；第 9 页,共 12 页3.6 仿真模型见praxis3_6.md

15、l ；3.7 仿真模型见praxis3_7_1.mdl 和 praxis3_7_2.mdl ；3.8 仿真模型见praxis3_8.mdl ；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3.9 1 仿真模型见praxis3_9.mdl ；2 自己完成；第 4 章 掌握系统优化设计与仿真4.1 动态优化问题也称为函数优化问题；在这类问题中,掌握器的结构并不知道,需要设计出满意某种优化条件的掌握器；在数学上, 此类问题属于泛函问题,即所谓查找最优函数的问题；在掌握理论中,这通常属于最优掌握的范畴；静态优化问题也称为参数优化问题；在这类问题中,掌握器的结构、形式已经确

16、定,而需要调整或查找掌握器的参数,使得系统性能在某种指标意义下达到最优；可以将动态优化问题转化为静态优化问题；4.2 间接寻优法是依据一般极值存在的充分必要条件来进行寻优的方法；直接寻优法是依据肯定的寻优规律转变寻优参数,并且直接运算目标函数值的方法；间接寻优法是一种解析方法,能依据充分必要条件确定寻优参数的精确极值,但需要能将目标函数写成解析形式；直接寻优法不需要将目标函数写成解析形式,但寻优过程是一系列摸索步骤,不能保证能求出寻优参数的精确极值；由于在掌握系统的参数优化问题中,目标函数一般很难写成解析形式,而只能在对系统进行仿真的过程中将其运算出来,并且目标函数的求导也不易实现,所以一般采

17、纳直接寻优法；4.3 加权性能指标型目标函数是依据经典掌握理论设计系统的性能指标建立起来的,能准确反映掌握系统各种性能指标,但实现起来比较困难；误差积分型目标函数易于实现,但不能准确反映掌握系统各种性能指标；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.4 单纯形法是在寻优参数空间中构造一个超几何图形,运算此图形各顶点的目标函数值并比较它们的大小,然后抛弃最坏点 （即目标函数值最大的点）,代之以超平面上的新点,从而构成一个新的超几何图形,循环往复,逐步靠近于微小值点；4.5 目的在于便于有用并能有较快的收敛速度；4.6

18、（略）4.7 仿真模型见 praxis4_7.mdl ；参数挑选及寻优结果见 praxis4_7.bmp ；4.8 仿真模型见 praxis4_8.mdl ；参数挑选及寻优结果见 praxis4_8.bmp ；第 5 章 掌握系统仿真建模5.1 仿真是用在模型上的试验来代替或部分代替在真实系统试验的方法；建模的目的和意义在于能实施仿真；5.2 通常建模方法有机理建模法、试验建模法和综合（混合）建模法；5.3 确认模型的正确性的最简洁方法是,将施加到实际系统上的输入同时施加到模型上,然后比较实际系统输出和模型输出之间的一样性；除此以外, 仍可以从与验前信息的一致性、交叉验证、原始参数的核验和模型

19、的中意度等方面着手；5.4 名师归纳总结 5.5 1 n*4；x .1iKx ix2第 11 页,共 12 页K1JKx ii12 *n3；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5.6 挑选第500 800 个数据进行辨识的MA TLAB程序见praxis5_6.m ；成效见praxis5_6.bmp ；所得模型为 11 . 302z10 . 4156 z2y k0 . 06641 z30 . 04187 z4 uk e k第 6 章仿真的工程应用实例6.1 旋臂加入均值为0,方差为 0.5 的随机干扰的仿真模型见praxis6_1.mdl ；6.26.5 （略）；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页