第1章 系统仿真技术与应用.ppt

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1、系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院主讲教师：李忠娟电话：13380039536系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院课程介绍定位：定位：专业基础选修课专业基础选修课目标：目标：通过学习系统仿真技术和通过学习系统仿真技术和matlabmatlab课程，课程，要求掌握系统仿真的概念、基本原理和基本分析要求掌握系统仿真的概念、基本原理和基本分析方法。为设计仿真系统打下坚实的基础。掌握方法。为设计仿真系统打下坚实的基础。掌握MATLAB/SIMULINKMATLAB/SIMULINK的基本原理和设计应用过程。了的基本原理和设计应用过程。了解系统仿真技术发展与趋势。解系统仿真技术发展

2、与趋势。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院教教 材：材：基于基于Matlab/simulink的系统的系统 仿真技术与应用仿真技术与应用 作者作者 薛定宇薛定宇特特 点：点：完全不必具备其它语言的基础，各年级各专业完全不必具备其它语言的基础，各年级各专业 的同的同 学都可选修。学都可选修。参考教材：参考教材：李宜达李宜达 主编，主编，控制系统设计与仿真控制系统设计与仿真，清华大学出版社，清华大学出版社，2004年年8月。月。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院课程安排课程安排J学时学时:36学时学时J安排：讲课安排：讲课26学时，上机学时，上机8学时，考学时，考 试试2学

3、时学时J考核方式考核方式:考试考试系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院本课程上课要求上课、上机不许旷课，累计三次者取消考试资格；上课不许迟到，提前5分钟进教室；上课专心听讲，跟随教师的思路，争取当堂消化大部分内容；课前预习，课后复习、总结和及时交作业，三次不交作业取消考试资格。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院 学习内容学习内容一、一、Matlab基本操作二、动态系统模型的创建三、时域响应分析法四、*频域响应分析法*五、控制器设计系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院第一章第一章 系统仿真技术与应用系统仿真技术与应用第一节第一节 仿真仿真第二节第二节 数字仿真软件

4、数字仿真软件第三节第三节 仿真技术的应用与发展仿真技术的应用与发展系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院第一节 仿 真1.1 1.1 系统仿真基本概念系统仿真基本概念仿真：仿真：利用仿真模型代替实际系统进行实验与研究的方法利用仿真模型代替实际系统进行实验与研究的方法仿真模型：仿真模型：对所研究的对象某些方面进行抽象概括的装置对所研究的对象某些方面进行抽象概括的装置仿真原则：仿真原则：相似性原则相似性原则系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院物理仿真；数学仿真物理仿真；数学仿真仿真分类：仿真分类：1.2 数学仿真数学仿真数学仿真分类：数学仿真分类：模拟仿真与数字仿真模拟仿真与数字

5、仿真数学仿真要素：数学仿真要素：系统系统研究的对象研究的对象模型模型系统的抽象系统的抽象计算机计算机工具与手段工具与手段系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院系统系统模型计算机建立数学模型建立数学模型建立仿真模型建立仿真模型仿真实验仿真实验结果分析结果分析系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院数学仿真过程：数学仿真过程：辨识实际系统的数学模型辨识实际系统的数学模型建立仿真模型建立仿真模型编制仿真程序编制仿真程序仿真实验仿真实验验证是否正确验证是否正确是是否否返回系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院一、仿真软件的发展1、程序编程阶段所有问题（如：微分方程求解、矩阵运算、

6、绘图等）都是用高级算法语言（如C、FORTRAN等）来编写。2、程序软件包阶段出现了“应用子程序库”。3、交互式语言阶段（仿真语言）仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。第二节第二节 数字仿真软件数字仿真软件系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院4、模型化图形组态阶段符合设计人员对基于模型图形化的描述。二、几种仿真软件1、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MAT

7、LAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院早期的MATLAB的功能十分简单，当它作为免费软件出现以来，还是吸引了大批的使用者。CleveMoler和JohnLittle等人于1984年成立了一个名为TheMathWorks的公司TheMathWorks公司于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版本。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院MATLAB 目前已经成为控制界国际上最流行的软件，它除了传统的

8、交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、方便的 Windows 编程等便利工具。此外，控制界很多学者将自己擅长的 CAD 方法用MATLAB 加以实现，出现了大量的 MATLAB 配套工具箱。如控制界最流行的控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境 Simulink。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院第三节第三节仿真技术的应用与发展仿真技术的应用与发展一、仿真技术在工程中的应用1、航空与航天工业飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半

9、实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。2、电力工业电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制等。电站操作人员培训模拟系统。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院3、原子能工业模拟核反应堆核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。4、石油、化工及冶金工业5、非工程领域医学社会学宏观经济与商业策略的研究系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院二、应用仿真技术的意义二、应用仿真技术的意义1、经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的1/101

10、/5，而且设备可以重复使用。2、安全某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院3、快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院三、仿真技术的

11、发展趋势三、仿真技术的发展趋势1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科，使人置身于真实环境之中。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院本章小结本章小结仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是

12、相似性原理。数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。系统模型可以分为物理模型、数学模型及仿真模型，据此可将仿真分为物理仿真和数学仿真两大类。系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素，建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。MATLAB与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件。系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院本课程的互联网资源TheMathWorks公司官方网站产品与全套工具箱手册下载http:/第三方工具箱下载http:/产品在中国独家代理(北京九州恒润公司)http:/系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院MATLAB大观园(薛定宇维护)http:/www.matlab-MATLAB与应用论坛(薛定宇维护)http:/博士家园论坛网站(各类数学问题)http:/一些高校的bbs清华大学、哈工大、上海交大、西安交大等系统仿真与Matlab-广东工业大学自动化学院