控制技术与系统课件 第六章 控制系统的仿真技术

1） 按照控制系统的特征分：

连续系统仿真 那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真实验．这类 系统的数耸模型包括连续模型(微分方程等)、离散时间模 型(差分力程等)以及连续一离散混合模型。 离散事件系统仿真 指那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱 动而发生变化的系统进行仿真实验。这类系统的状态量是 离散变化的，称之为离散时间系统．这类系究的数学模型 通常用流程图或网络图来描述。
控制技术与系统
control technology and system
党学明 仪器科学与光电工程学院
第六章 控制系统的仿真技术
主要内容： 第一节 概 述 第二节 控制系统的模拟仿真 第三节 控制系统的数字仿真 第四节 控制系统仿真环境简介
第一节 概
主要内容
述
一、控制系统仿真技术的概念和分类 二、控制系统仿真技术的一般过程和步骤 三、控制系统仿真技术的相似理论
这两个系统的数学模型是互为相似的：
• 这使得我们可以通过研究电路系统来揭示机械系统 的运动规律； • 对于电路系统本身而言，其数学模型又相似于实际 的电路系统，故又可以借助数学模型研究实际系统 的运动规律。

相似定理1 以s表示系统整体或系统部分所 具有的某些特征，则相似具有下列性质 (1)自反性 s∽s
Uo
Ui
Uo -1
3）比例加法器
Rf R1 Ui2 R2 + A
U 0 kiU i
Ui1 Uo Ui2 K2 K1 A
R=R1//R2//Rf
4）比例积分器
C R A Rf
U0
1
RC
U idt
Uco
k U idt
Uo
Ui
K
Uo
5）系数器
Ui
U0
R2 R1 R 2
0.8
10
Y(t)
简化
0.625 -1 0.625 10 10 10 0.625 10 -1 10 0.5 Y1(t) -1 0.4 10 1 A Y2(t) 10 Y3(t) 5 0.4
0.8
10
Y(t)
三、上机模拟运算仿真步骤
(1)排题 在模拟机排题板上、把选用的运算放大器按图连接 好 (2)零点检查 校准所用放大器的零点。 (3)系数设置 根据设定值调整系数器的值。 (4)积分器初始值设置 根据给定的初始条件，设量积分器初始 电压值。 (5)静态检查 主要是检查各运算器工作是否正常，排题是否正 确。 (6)动态检查 检查积分器响应过程是否正确，精度是否符合要 求。 经过以上步骤后，即可手动启动运算、重复运行．观察记录 响应曲线等。若运算过程中,某个放大器仍有过载现象，需 重新分配放大系数。模拟仿真可以方便的改变控制器的 参．逐
'
1 T
Ui
K T
1 1
Uo
2. 非典型环节
M u 0 Kui M
Hale Waihona Puke ui uc| ui | uc
+E Ui
Ri
R
aR
-E
Rf
ui uc
K
Uo
其它类型的模拟仿真电路及有关参数见p136表6-l。 3 控制系统模拟仿真排题图
R（s） +
X
-
1 0.16s 1
2 (0.4s 1) 0.2s 1
(2)对称性 若s1∽s2 ，则s2 ∽ s1 ； (3)传递性 若s1∽s2 ,s2 ∽ s3 ，则s1 ∽ s3 对于(3) ，传递性会直接影响相似度的相似 度可能两两都不相等。
相似定理2 相似具有下列性质： (1)相似的系统可用字母相同的方程组描述，或者说 它们具有相同的数学描述。
(2)表征相似系统的对应量在四维空间(通常意义下 的三维空间加上一维的时间空间)互相匹配且成一定 的比例关系。
U i aU i
0 a 1
R1 R2 Uo
Ui
a
Uo
二、控制系统的模拟仿真图 控制系统的结构框图是由典型环节和典型非线性环 节组成。 1.典型环节
U 0(s ) K G(s ) U i(s ) TS 1 U 0(s ) U 0(s ) KU i(s ) TS K 1 U 0 (t ) U i(t ) U 0(t ) T T K 1 U 0(t ) U i(t ) U 0(t ) dt dt T T
5 0.5s 1
1
Y（s）
s
分为以下环节
Y1(s) R（s） +
X
Y2(s)
2 (0.4s 1) 0.2s 1
5 0.5s 1
Y3(s)
8
-
1 0.16s 1
Y（s）
s
Y1(s)
1 Y 1 s) ( 0.16s 1 R(s ) Y (s )
R(t) -1 0.625
0.625 10 10 10 0.625 Y1(t)
Y 1 t ) 6.25( R(t ) Y (t ) Y 1 t ) ) ( dt dt ( dt
( Y2(s) 0.8s 2 Y 2 s ) 0.2s 1 Y 1 s) (
Y1(t) -1
0.4
Y(t)
10 1 10 -1 10 0.5 A
(3)坐标变换相似方法 研究空中运动体系统不可缺少的一种方法，经常用于飞行器 状态数学模型中、在视景系统的相似变换中更是常用。
第二节 控制系统的模拟仿真
主要内容： 一、电子模拟计算机 二、控制系统的模拟仿真图 三、上机模拟运算仿真步骤
一、电子模拟计算机
控制系统的模拟仿真就是依据相似原理，利用电子模拟计算 机代替实际系统进行实验究，并以电压形式给出被仿真系 统(或模型)的动态响应。
一、控制系统仿真技术的概念和分类
1.
仿真定义
仿真(simulation)就是根据相似性理论，通过建 立实际系统的模型(物理模型或数学模型)，并利用 所建立的模型代替实际系统进行实验研究的技术。
2.


仿真的意义
研究分析系统的固有规律及运行状态 研究外界条件对系统的影响 为设计提供主要的指导和修正
二、控制系统仿真技术的一般过程和步骤
控制系统的仿真过程一般包括以下3个阶段： (1)控制系统的建模阶段 通常是先分块建立于系统的模型 若为数学模型则需要进行模型变换，即将数学模型变换为可以 在仿真计算机可运行的模型 并对其进行初步的校验； 若为物理模型。它须在功能和性能上与原系统相一致。然后根 据系统的工作原理．将子系统的模型集成为全系统的仿真实 验模型 (2)模型实验阶段 首先要根据实验目的制定实验计划和实验 大纲。在计划和大纲的指导下， 设计一个好的流程，选定待 测变量和相应的测量点．以及适当的测量仪表。之后转入模 型运行，即进行仿其实验并记录结果。 (3)结果分析阶段 对实验数据进行细致分析，并根据分析结 果作出正确的判断和决策。如果得到认可，则可以转入文档 处理，否则，需返回建模和模型实验阶段含找原因．或修改 模型结构和参数，或检查实验流程和实验方法，然后再进行 实验．如此反复．直到获得满意结果
(3)由于描述相似系统的对应量互成比例，同时描述 相似系统的方程又是相同的，所以各 对应量的比值(相似倍数)不能是任意的，而是彼 此相约束的。
2 相似方式 (1)比例相似 几何或者综合参量比例 (2)感觉信息相似 感觉相似包括运动感觉信息相似，视觉相似和 音响感觉相似等。例如： 各种训练模拟器以及 当前的虚拟现实技术。 (3)数学相似 应用原始数学模型，仿真数学模型．数学仿真 或模拟仿真，近似地而且尽可能逼真地描述某 一系统的物理或主要物理特征。 (4)逻辑相似 就是人们在感性认识的基础上，运 用概念、判断、推理等思维形式客观世界的状 态与进程。人们用以分析、综合事物的思维方 法以及由此而得出的结论来说也只能是相似的
对于一般意义下的控制系统的仿真、具体可分为以下几个步骤：
(1)系统定义 确定所研究的控制系统的边界条件与约束。 (2)数据准备 收集、整理并核实控制对象的各类有关信息和数 据，为建模作准备， (3)模型表示 把实际系统抽象成数学公式或逻辑流程图。并进 行模型验证。 (4)模型变换 用PC语言编程手段将数学公式或逻辑流程图等变 换为用程序指令描述的仿真模型．并进行模型校核。 (5)仿真实验设计 根据研究目的和仿真目标，确定仿真实验的 具体流程参数．如仿真执行控制参数、模型参数与系统参数 等。 (6)仿真执行 运行仿真软件并驱动仿真系统．得出所需数据， 并进行敏感性分析。 (7)结果分析 由仿真结果进行归纳、分析和总结，判定所建立 的模型是否正确合理，模型被认为是合理的．则进一步得到 一些关于控制系统设计和改进的结论 (8)系统实现 使用模型或仿真结果，实现所要设汁的控制系统。
3.相似的方法
(1)模式相似方法 模式相似方法包括统计决策法和句法(或结构)方法。统计决策 法是指选择一类事物的特征空间的某些典型或主要特征，实际 是使特征空间降维，设计有效的模式分类器。而句法方法，是 将事物的模式类比语言中的句子，借用形式语言来描述和表达 模式。 (2)组合相似方法 在仿真系统中，即使各个部件和子系统均己获得精度足够高的 相似处理，已经满足各自的性能指．但未必能保证系统的整体 性能满足要求。故有必要对各子系统建立组合相似模块并进行 综合补偿处理，形成组合相似方法，以适应不同模态和不同情 况的需要。
评价系统的设计运行等指标
3.
4
5
主要应用领域 仿真技术厂泛地应用于航空、 航天、原子能、电力、石 化、冶金、机械等一些主要工业部门，以及社会系统、经 济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。 它是现代控制系统特别是复杂系统不可缺少的分析、设计、 评价的重要手段。 控制系统仿真技术— 一般就是指控制系统的计算机仿真 或数学仿真。 分类