控制系统的计算机仿真
电机控制系统的计算机仿真
控制策略优化
通过仿真结果的分析，我们可以优化电机的控制策略，提高电机的 性能和稳定性。
参数调整
根据仿真结果的分析，我们可以调整电机的参数，包括电机的电压、 电流、频率等参数，以提高电机的性能。
结构改进
根据仿真结果的分析，我们可以改进电机的结构，包括电机的材料、 尺寸、冷却方式等，以提高电机的性能和稳定性。
稳态性能
通过仿真，我们可以分析电机的 稳态性能，包括电压、电流、功 率等参数的稳态值，以及电机在 不同工况下的运行状态。
效率分析
通过仿真，我们可以计算电机的 效率，包括电机在额定负载和不 同负载下的效率，以及电机的损 耗分布。
温升分析
通过仿真，我们可以分析电机的 温升情况，包括电机在不同工况 下的温升变化，以及电机内部的 温度分布。
动态性能分析
动态响应
通过仿真，我们可以分析电机的动态响应， 包括电机在突然加载和卸载时的响应速度和 稳定性。
转矩脉动
通过仿真，我们可以分析电机的转矩脉动情况，包 括电机在运行过程中转矩的波动和变化。
振动与噪声
通过仿真，我们可以分析电机的振动和噪声 情况，包括电机在不同工况下的振动和噪声 水平。
优化与改进方案探讨
06
案例分析
案例一：直流电机控制系统仿真
总结词
简单易行、基础性研究
详细描述
直流电机控制系统是电机控制领域中最基础的一种，其仿真过程相对简单，主要用于验 证控制算法和系统的基本原理。通过仿真可以研究电机的动态特性和控制效果，为其他
复杂电机控制系统提供基础支撑。
案例二：异步电机控制系统仿真
要点一
总结词
非线性控制系统
采用非线性系统理论，建立控制系统的非线 性数学模型，模拟系统的复杂行为。
第9章 控制系统的计算机仿真应用
（2）零极点增益模型 ） 在 MATLAB中 ， 用函数命令 中 用函数命令zpk（ ） 来建立控制系统的零 （ 极点增益模型， 极点增益模型，zpk（）函数的调用格式为： （ 函数的调用格式为： sys= zpk（num, den） （ ） sys= zpk（num,den, Ts） （ ） sys= zpk（M） （ ） tfsys= zpk（sys） （ ） 其中： 其中： sys= zpk（num，den）函数返回的变量 （ ）函数返回的变量sys为连续系 为连续系 统的零极点增益模型。函数输入参量的含义同tf（ 统的零极点增益模型 。 函数输入参量的含义同 （ ） 函数 命令的解释。 命令的解释。
解决实际问题时， 解决实际问题时， 常常需要对自控系统的数学模型进 行转换。 行转换 。 MATLAB 6. 提供了前三种数学表达式数学模型 传递函数模型、零极点增益模型与状态空间模型） （传递函数模型、 零极点增益模型与状态空间模型）之间 转换的函数： 转换的函数：ss2tf（），ss2zp（），tf2ss（），tf2zp（）， （ （ （ （ zp2ss（），zp2tf（）。这些函数之间的转换功能可用表 这些函数之间的转换功能可用表9（ （ 1说明。 说明。 说明 函 数名 ss2tf ss2zp tf2ss tf2zp zp2ss zp2tf 函 数 功 能 将系统状态空间模型转换为传递函数模型 将系统状态空间模型转换为零极点增益模型 将系统传递函数模型转换为状态空间模型 将系统传递函数模型转换为零极点增益模型 将系统零极点增益模型转换为状态空间模型 将系统零极点增益模型转换为传递函数模型
9.1.2 环节方框图模型的化简
系统是由多个环节组成。 系统是由多个环节组成。每个环节又是由多个元件构成 环节在MATLAB里又叫模块。以下介绍环节方框图模 里又叫模块。 的。环节在 里又叫模块 型的化简。 型的化简。 1．环节串联连接的化简 ． 使用series（）函数命令，不必做多项式的乘除运算即 使用 （ 函数命令， 可实现两个环节传递函数（ 可实现两个环节传递函数 （ sys1与 sys2） 串联连接 。 如果 与 ） 串联连接。 sys1= tf（num1,den1），sys2= tf（num2,den2），其命令 （ ） （ ） 格式为： 格式为： sys= series（sysl,sys2） （ ） 如果已知两个环节状态空间模型的矩阵组分别为： 如果已知两个环节状态空间模型的矩阵组分别为 ： （a1,b1,c1,d1）与（a2,b2,c2,d2），则求两个环节串联连接 ） ） 等效系统状态空间模型［ 等效系统状态空间模型［a,b,c,d］矩阵组的命令格式为： ］矩阵组的命令格式为： ［a,b,c,d］= series（a1,bl,cl,dl,a2,b2,c2,d2） ］ （ ） 需要特别指出， 需要特别指出，series（）函数命令还可以将多个环节按两 （ 两串联的形式多次递归调用加以连接，进行等效化简。 两串联的形式多次递归调用加以连接，进行等效化简。
控制系统计算机仿真课后答案
控制系统计算机仿真课后答案参考答案说明:1( 对于可以用文字或数字给出的情况，直接给出参考答案。
2( 对于难以用文字或数字给出的情况，将提供MATLAB程序或Simulink模型。
第 1 章1.1 系统是被研究的对象，模型是对系统的描述，仿真是通过模型研究系统的一种工具或手段。
1.2 数学仿真的基本工具是数字计算机，因此也称为计算机仿真或数字仿真。
将数学模型通过一定的方式转变成能在计算机上实现和运行的数学模型，称之为仿真模型。
1.3 因为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研究系统的综合试验技术，具有一般试验的性质。
而进行试验研究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研究问题的方法。
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则只能给出在特定条件下的数值解。
，解析法常常是围绕着使问题易于求解，而不是使研究方法更适合于问题，常常因为存在诸多困难而不能适用。
从原则上讲，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，试验次数就会迅速增加，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。
1.6,8,20,71，，，，,,,,，x,100x，0u,,,, ,,,,0100，，，，y,,,002x注:本题答案是用MATLAB中tf2ss()函数给出的，是所谓“第二能控标准型”(下同)。
11.7,3,3,11，，，，,,,,，x,100x，0u,,,, ,,,,0100，，，，y,,,013x1.82s，3s，3G(s), 32s，4s，5s，21.91.368,0.36801，，，，,,,,x(k，1),100x(k)，0u(k),,,, ,,,,0100，，，，y(k),,,00.3680.264x(k)1.10 仿真模型见praxis1_10_1.mdl;MATLAB程序见praxis1_10_2.m。
《自动控制系统计算机仿真》习题参考答案
《自动控制系统计算机仿真》习题参考答案1-1 什么是仿真？ 它的主要优点是什么？它所遵循的基本原则是什么？答：所谓仿真，就是使用其它相似的系统来模仿真实的需要研究的系统。
计算机仿真是指以数字计算机为主要工具，编写并且运行反映真实系统运行状况的程序。
对计算机输出的信息进行分析和研究，从而对实际系统运行状态和演化规律进行综合评估与预测。
它是非常重要的设计自动控制系统或者评价系统性能和功能的一种技术手段。
仿真的主要优点是：方便快捷、成本低廉、工作效率和计算精度都很高。
它所遵循的基本原则是相似性原理。
1-2 你认为计算机仿真的发展方向是什么？答：向模型更加准确的方向发展，向虚拟现实技术，以及高技术智能化、一体化方向发展。
向更加广阔的时空发展。
1-3 计算机数字仿真包括哪些要素？它们的关系如何？答：计算机仿真的三要素是：系统——研究的对象、模型——系统的抽象、计算机——仿真的工具和手段。
它们的关系是相互依存。
2-1 控制算法的步长应该如何选择？答：控制算法步长的选择应该恰当。
如果步长太小，就会增加迭代次数，增加计算量；如果步长太大，计算误差将显著增加，甚至造成计算结果失真。
2-2 通常控制系统的建模有哪几种方法？答：1）机理建模法；2）实验建模法；3）综合建模法。
2-3 用欧拉法求以下系统的输出响应()y t 在0≤t ≤1上，0.1h =时的数值解。
0yy += ， (0)0.8y = 解：输入以下语句 绘制的曲线图2-4 用二阶龙格-库塔法对2-3题求数值解，并且比较两种方法的结果。
解：输入以下语句绘制的曲线图经过比较两种方法的结果，发现它们几乎没有什么差别。
3-1 编写两个m文件，分别使用for和while循环语句计算20031kk=∑。
解：第1个m文件，第2个m文件运行结果都是3-2 求解以下线性代数方程：123102211313121xxx⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦解：输入语句计算结果3-3 已知矩阵013=121542⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦A，218=414332⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦B试分别求出A阵和B阵的秩、转置、行列式、逆矩阵以及特征值。
控制系统数字仿真
（基于MATLAB的控制系统计算机仿真）
参考书目
➢ 参考教材：
◆ 瞿亮等.基于MATLAB的控制系统计算机
仿真. 北京交通大学出版社.2006年 ➢ 参考书：
◆ 张聚. 基于MATLAB的控制系统仿真及应用. 电子工业出版社. 2012年.
◆ 王正林等. MATLAB/Simulink与控制系统仿 真. 电子工业出版社. 2008年.
§1-3 控制系统计算机仿真
§1-1系统、模型与仿真
一、系统（System）
1．定义 所谓“系统”，是指相互联系又相互作用着的对象的有
机组合。该组合体可以完成某项任务或实现某个预定的目标。 特点：
整体性：系统由许多要素组成，各个组成部分是不可分割的。 相关性：系统内部各要素之间相互以一定规律联系着。 层次性：系统可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层 次结构。 目的性：系统具有某种目的，要达到既定的目的，系统必须 具有一定的功能（如控制、调节和管理的功能）。
比如，工程界：
生物、医学界：
军事界：
追击敌机问题
已知：敌机在100KM高空，以20KM/min的速度匀速直线行驶。 假设：（1）只要两机相距在10公里之内，我机就可以摧毁敌机；
（2）如果10分钟之内没有捕捉到，就认为失败。 问：我方飞机应以怎样的速度，沿着什么航线飞行，需要多长时 间可捕捉到目标。比如我机以30KM/min的速度，每1分钟改变一次 方向，能不能捕捉到？我机以40KM/min的速度，每2分钟改变一次 方向，能不能捕捉到？
ADAMS
§1-3 控制系统计算机仿真
一、控制系统的计算机辅助设计 （CSCAD-Control System Computer Aided Design）
控制系统数字仿真 要点
词汇表1. 解析法：就是运用已经掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析、计算。
它是一种纯理论上的试验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。
2. 实验法：对于已经建立的实际系统，利用各种仪器仪表及装置，对系统施加一定类型的信号，通过测取系统的响应来确定系统性能的方法。
3. 仿真分析法：就是在模型的基础上所进行的系统性能分析与研究的实验方法，它所遵循的基本原则是相似原理。
4. 模拟仿真：采用数学模型在计算机上进行的试验研究称之为模拟仿真。
5. 数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算的方法所进行的仿真试验称之为数字仿真。
6. 混合仿真：将模拟仿真和数字仿真结合起来的仿真方法。
7. 数值计算：有效使用数字计算机求数学问题近似解的方法与过程。
数值计算主要研究如何利用计算机更好的解决各种数学问题，包括连续系统离散化和离散形方程的求解，并考虑误差、收敛性和稳定性等问题。
8. 病态问题：闭环极点差异非常大的控制系统叫做病态系统，解决这类系统的问题就叫病态问题。
9. 显式算法：在多步法中，若计算第k+1次的值时，需要的各项数据均是已知的，那么这种算法就叫做显式算法。
10. 隐式算法：在多步法中，若计算第k+1次的值时，又需要用到第k+1次的值，即算式本身隐含着当前正要计算的量，那么这种算法就叫做隐式算法。
11. 数值稳定性：数值积分法求解微分方程，实质上是通过差分方程作为递推公式进行的。
在将微分方程离散为差分方程的过程中，有可能将原本稳定的系统变为不稳定系统。
如果某个数值计算方法的累积误差不随着计算时间无限增大，则这种数值方法是稳定的，反之是不稳定的。
12. 实体：就是存在于系统中的具有实际意义的物体。
13. 属性：就是实体所具有的任何有效特征。
14. 活动：系统内部发生的任何变化过程称之为内部活动；系统外部发生的对系统产生影响的任何变化过程称之为外部活动。
15. 描述模型：是一种抽象的、无实体的，不能或者很难用数学方法精确表示的，只能用语言描述的系统模型。
第五讲控制系统的仿真软件介绍
❖ Nyquist曲线的绘制
连续系统，函数nyquist（） 调用格式： 1. [re,im,w]=nyquist(sys) 2. nyquist(sys) 3. nyquist(sys,w) 4. nyquist(sys1, sys2,…, sysn) 5. nyquist(sys1, sys2,…, sysn,w) 6. nyquist(sys1, ‘Plotstyle1’,…, sysn, Plotstylen’)
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称， 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件， 用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的 高级技术计算语言和交互式环境， 主要包括MATLAB和Simulink两大部分
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、 创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等， 主要应用于工程计算、 控制设计、 信号处理与通讯、 图像处理、 信号检测、 金融建模设计与分析等领域。
延时 7. Zero-Pole：零极点形式传递函数模型
❖ 离散模块的子模块
离散模型是将连续系统进行离散化后得到的， 因此它的子模块基本与连续模块中的子模块相 对应。
❖ 数学运算模块 包含进行数学运算的各基本子模块，如加、减、 乘、除，以及逻辑运算等子模块
❖ 输入源模块
提供信号源，输入源模块包含各种形式的 输入信号子模块。如阶跃函数、正弦函数、 常数、信号发生器、MATLAB空间变量等
3. 设置诊断标签页（Diagnostics）
① Consistency Checking：模型一致性检验
② Bounds Checking：仿真边界检验
4. 设置实时工作空间（Real-time Workspace）
控制系统计算机仿真课程设计
控制系统计算机仿真课程设计前言计算机仿真作为一个重要的工具，在控制系统的设计和实现中发挥着重要作用。
本文将介绍控制系统计算机仿真课程设计的内容和步骤，并结合一个实际的案例阐述如何利用计算机仿真技术进行控制系统设计。
设计内容和步骤设计内容控制系统计算机仿真课程的设计内容通常包括以下几个方面：1.系统建模：选择合适的控制模型，建立数学模型和仿真模型。
2.系统分析：分析系统的稳态和暂态响应，优化控制系统的性能。
3.控制器设计：设计合适的控制器结构和参数，实现闭环控制。
4.系统仿真：利用计算机仿真软件进行系统仿真，并分析仿真结果。
5.实验验证：通过实验验证仿真结果的正确性，进一步优化控制系统的性能。
设计步骤控制系统计算机仿真课程的设计步骤可以分为以下几个部分：1.系统建模掌握控制系统建模方法，能够从实际物理系统中抽象出控制对象、控制器等模型，建立相应的数学模型和仿真模型。
2.系统分析使用数学分析方法，分析系统的稳态和暂态响应，评估控制系统的性能。
包括评估系统的稳定性、快速性、抗干扰性等。
3.控制器设计使用控制理论，设计合适的控制器结构和参数，实现闭环控制。
掌握 PID、根轨迹、频域等控制器设计方法，能够根据系统要求选择合适的控制器。
4.系统仿真使用计算机仿真软件，进行系统仿真，验证控制系统的性能和预测实际系统行为。
掌握仿真软件的使用方法，能够进行仿真实验设计、仿真模型编写、仿真实验执行等。
5.实验验证在实验室、车间等实际环境中，利用实验设备和仪器对控制系统进行实验验证，验证仿真结果的正确性。
并通过实验优化控制器参数，提高控制系统的性能。
实例分析在本节中，我们将结合一个实际的案例，介绍控制系统的计算机仿真课程设计。
案例背景某高速公路入口处的车道管理系统由计算机控制，通过红绿灯控制车辆的通行。
系统从入口指示车辆能否进入高速公路，在出口将车辆计数和收费。
由于车辆的流量较大，系统的控制效果受到影响，需要进行优化。
控制系统MATLAB计算机仿真
1、 MATLAB简介(Matrix Laboratory) 2、 MATLAB主要特点
系统计算机仿真
控制系统的仿真，就是以控制系统 的模型为基础，主要以数学模型代替实 际控制系统，以计算机为工具，对控制 系统进行实验和研究的一种方法。
控制系统计算机仿真的过程按以下步骤进行
1、建立控制系统的数学模型； 2、建立自动控制系统的仿真模型； 3、编制自控系统仿真程序； 4、进行仿真实验并输出仿真结果。
MATLAB的主要特点：
1、功能强大，适用范围广泛； 2、编程效率高(M文 件 ； Toolbox)； 3、界面友好，用户使用方便； 4、扩充能力强(M；Mex)； 5、语句简单、内涵丰富； 6、强大方便的图形功能； 7、功能齐备的自动控制软件工具包。
控制系统计算机仿上机实验：20学时
选择教材：
1、控制系统MATLAB语言计算及仿真 黄忠霖 国防工业出版社
2、控制系统计算机辅助设计 蔡启仲 重庆大学出版社
现阶段学习MATLAB的重要性
1 《自动控制理论》中学习的结论及其所做 实验的验证； 2 仿真《热工自动控制系统》实验及进行课 程设计； 3 仿真《电力拖动自动控制》实验及进行课 程设计； 4 毕业设计仿真主要用的软件工具。
上机实验要求
1、上机做实验时间4:00~5:50，每次根据 本人所做实验结果给出一次平常成绩， 但超过时间无成绩；
2、上课及上机做完实验之前不允进行与本 课无关的内容，否则取消上课机会；
3、无故3次不上课取消考试资格。
第一章 控制系统及仿真概述
一、控制系统计算机仿真的基本概念
1、系统计算机仿真 2、控制系统计算机仿真的过程
界面友好、用户使用方便
控制工程基础-控制系统的计算机仿真
计算机仿真在电子工程中用于模拟电路系 统和数字系统的行为，进行电路设计和优 化。
04 控制系统的计算机仿真
控制系统的数学模型
线性时不变系统
描述系统的动态行为，通过微分方程、差分方程等数学表达式表 示。
传递函数
描述系统输入与输出之间的关系，通过传递函数进行描述。
状态空间模型
描述系统的动态行为，通过状态方程和输统
开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统，输入信号 直接作用于受控对象，输出信号与输入信号之间的关系是 固定的。
线性控制系统
线性控制系统是指系统中各元件之间的关系可以用线性方 程描述的系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中具有反馈回路的系统，输出信号 通过反馈回路回到输入端，控制器根据反馈信号调整输入 信号，以实现控制目标。
03
计算机资源的限制
大规模的控制系统仿真可能需要 较高的计算机资源，如内存和计 算能力。
未来发展方向与展望
混合仿真
结合物理实验和计算机仿真，以提高仿真的 准确性和可信度。
多尺度仿真
考虑系统不同尺度的特性和行为，以更全面 地模拟和控制复杂系统。
高性能计算
利用高性能计算机和并行计算技术，提高大 规模控制系统的仿真效率。
智能化仿真
结合人工智能和机器学习技术，实现自适应 和智能化的仿真和控制。
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多输入多输出系统仿真
总结词
多输入多输出系统是指具有多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
详细描述
多输入多输出系统在工业控制中应用广泛，如机器人、飞行器等。通过计算机仿真，可以模拟系统的动态行为， 分析系统的稳定性和性能，优化控制策略。
控制系统cad课程形考作业一参考答案
第1章一、填空题1.按控制信号传递的路径不同，可将控制系统划分为：、和三种控制方式，其中控制精度最高的是控制方式。
（按给定值操纵的开环控制、按偏差调节的闭环（反馈）控制、带补偿调节的复合控制、带补偿调节的复合控制）2.对自动控制系统性能的基本要求可以归纳为“稳、快、准”三个方面，一个系统要能正常工作，其首先必须满足的最基本要求。
（稳定）3.控制系统的设计包含和设计两方面内容。
（分析）4.控制系统的仿真依据模型的种类不同，可分为、和三种形式。
（物理仿真、数学仿真、混合仿真）二、简答题1.简述控制系统CAD的发展历程，并简单分析控制系统CAD 和机械CAD或建筑CAD 的相同点和区别。
早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如Ziegler 与Nichols 于1942年提出的PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。
随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是20世纪70年代出现了控制系统的计算机辅助设计(computer-aided control system design , CACSD)方法。
近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD 软件频繁出现且种类繁多，其中MA TLAB已成为国际控制界的标准分析和辅助设计软件。
控制系统CAD 和机械CAD或建筑CAD的相同点是均是借助计算机软件进行设计；不同的是设计对象不同，其中控制系统CAD是借助计算机对控制系统进行仿真和设计，机械CAD是借助计算机对机械结构进行设计和计算，建筑CAD借助计算机辅助设计建筑结构，设计对象的不同决定了其各自使用的软件也不尽不同。
2.什么是控制系统的计算机仿真？控制系统的计算机仿真是利用计算机对控制系统进行数学仿真。
数学仿真就是根据实际系统中各个变化量之间的关系，构建出系统的数学模型，并利用此模型进行分析研究。
数学仿真的关键在于数学模型的构建和求解。
(完整版)第一章系统仿真的基本概念与方法
第一章控制系统及仿真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。
第一节控制系统仿真的基本概念1．系统：系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。
“系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。
工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。
非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。
2．模型：模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。
通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。
模型分为物理模型和数学模型两种。
数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。
3．系统仿真：系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。
更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。
要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。
对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。
那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。
用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。
而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。
我们这里讲的是后一种仿真。
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。
计算机仿真包括三个基本要素：系统、模型与计算机。
控制系统仿真技术
控制系统仿真技术控制系统是现代自动化技术中最重要的组成部分之一。
控制系统核心任务是对被控对象进行可控的操作，来达到我们想要的目标。
近年来，随着仿真技术的快速发展，控制系统仿真技术逐渐成为了工程设计和实施中必不可少的工具。
控制系统仿真技术是一种模拟控制系统工作状态的技术，通过计算机软硬件的支持，把现实中的控制系统模型描述成数学模型，然后用仿真软件将其转换为计算机程序，并给这个程序赋以各种特定的输入信号，以验证和评价原型控制系统的性能和稳定性。
仿真技术不仅可以更好地理解控制系统的行为，而且可以预测控制系统在实际操作中的表现，减轻系统测试的压力，提高系统设计的稳定性和可靠性。
在控制系统仿真技术方面，早期的仿真技术主要是基于离散事件仿真(DES)和连续时间仿真(CTS)方法。
这些方法在一定程度上帮助我们理解控制系统的行为，但是由于计算成本较高，精度受到了限制，因此这些方法已经不再被广泛应用。
现代控制系统仿真技术主要是基于混合仿真技术的。
混合仿真技术是以连续时间仿真和离散事件仿真为基础，结合了系统数学模型、计算机仿真技术和实际硬件的仿真技术，可以模拟不同控制环节的动态性和物理性。
近年来，混合仿真技术的发展已经使得仿真技术在控制系统设计和实施中得到了广泛的应用。
控制系统仿真技术所需要的软件工具包括MATLAB/Simulink、LabVIEW、DASYLab、Proteus和Multisim等。
其中，Simulink是一个广泛应用的仿真工具，拥有强大的仿真和模拟功能，可以非常方便地集成在MATLAB的开发环境中，被广泛应用于机电一体化控制、工业控制、汽车电子和机载控制等领域。
LabVIEW是一种易学易用的图形化编程环境，其模块化编程方式、可视化用户界面和基于数据流的编程风格使得其成为了电气工程、机械工程、控制工程等多个领域之一。
Proteus 是一种面向电子设计的仿真软件，是一种综合系统，可以对电路、电子设备的行为进行模拟和演示。
自动控制系统计算机仿真课程设计
自动控制系统计算机仿真课程设计一、设计背景自动控制系统是现代控制理论在工程实践中应用的一个重要领域，在诸如工业控制、航空航天、军事装备等领域都有广泛应用。
为了方便学生深入理解自动控制系统的原理和应用，让学生熟悉自动控制系统的建模、仿真和控制方法，本设计课程采用计算机仿真的方法进行教学。
二、设计目标1.让学生掌握自动控制系统的基本原理和应用，了解自动控制系统的各部分组成和功能。
2.培养学生独立进行系统建模和仿真的能力，掌握MATLAB等软件实现自动控制系统仿真的方法。
3.让学生通过实践掌握控制算法的设计和实现，提高学生的分析和解决问题的能力。
三、设计内容本课程设计分为以下四个部分：1. 自动控制系统建模本部分将在讲解自动控制系统的概念、原则和应用基础上，引导学生进行系统建模。
我们将以一个缸内压力的控制系统为例，进行建模和仿真的讲解。
学生需要完成系统建模、系统参数假设、控制策略设计等步骤。
在此基础上，我们将使用Simulink等软件进行系统的仿真，并分析仿真结果。
2. 控制系统性能分析本部分将以均方根误差和最大偏差两个指标为例，引导学生进行控制系统性能分析。
学生需要了解这两个指标的含义及其适用范围，进行仿真实验并分析实验结果。
3. 控制算法设计本部分将在讲解PID控制算法、自适应控制算法、模糊控制算法等基础上，引导学生进行控制算法的设计。
学生需要选择合适的控制算法进行仿真实验，并进行实验数据分析。
4. 系统鲁棒性分析本部分将以干扰抑制能力和控制鲁棒性为例，引导学生进行系统鲁棒性分析。
学生需要了解干扰产生的原因和控制方法，并进行仿真实验和数据分析。
四、设计要求1.学生需要具备基本的线性代数、微积分和控制理论基础，掌握MATLAB等软件的使用方法。
2.学生需要自主选定一个自动控制系统进行仿真实验，并在课程中完成建模、控制算法设计、实验仿真和数据分析等步骤。
3.学生需按时提交课程设计报告和仿真代码，课程设计报告中需包含设计题目、背景和目的、仿真实验步骤和数据分析结果等内容。
计算机仿真
第1章
绪论
3.按偏差调节的闭环控制（反馈控制）
系统输出量反馈到输入端产生偏差后对输出量再进行控制的
系统叫做闭环控制系统。 反馈是把系统输出量全部或一部分回送到输入端以增强或减 弱输入信号的效应。起增强效应时为正反馈，起减弱效应时为负 反馈。正反馈会使系统的偏差越来越大；只有负反馈控制才能完 成自动控制的任务。 闭环控制的原理就是通过传感器测量出系统的实际输出值， 反馈到输入端与系统的给定值比较产生偏差，再按照偏差的大小 自动地加以修正。
28
第1章
绪论
干扰 给定值 控制器 执行机构 被控对象
被控量
测量
图1-8 按偏差调节的闭环控制
29
第1章
绪论
按偏差调节的闭环控制主要表现在以下两个过程： （1）输入量＋测量反馈＋比较环节→产生测量偏差； （2）放大环节＋执行机构→消除偏差。 闭环控制系统特点： 信号既可单向传递又有反馈传递，形成闭合回路。
为了得到偏差信号必须采用负反馈。
可自动修正输出量的偏差，并对系统内外部干扰进行补偿。 控制精度较高，使用场合比较广。
30
第1章
绪论
3. 开环控制与闭环控制系统的比较 开环控制 系统结构简单、容易实现，成本低，系统调试方便，但抗干 扰能力差，控制精度较低，一般多用于控制过程比较简单、 精度要求不高的场合。 闭环控制 系统具有自动纠正偏差的能力，并可对内、外部干扰信号
21
第1章
绪论
1.1.4 自动控制的基本方式
按照系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统控制
方式分为开环控制和闭环控制两大类，开环控制又有按给定值操 纵和按干扰值补偿两种方式。
1.按给定值操纵的开环控制
该方式是按照系统的给定值来控制输出量，两者之间一一对 应。控制过程如图1-5所示。
控制系统建模与仿真方法
控制系统建模与仿真方法控制系统建模与仿真方法是现代控制系统设计和开发的基础。
通过建立准确的控制系统模型，并用仿真方法验证其性能，能够帮助工程师和设计师有效地进行控制系统的设计、调试和优化。
本文将介绍几种常见的控制系统建模与仿真方法，并探讨它们的适用范围和优缺点。
一、传递函数法传递函数法是一种基于线性时不变系统的建模方法。
它通过将控制系统表示为输入输出之间的线性关系来描述系统的动态特性。
传递函数法最适用于单输入单输出系统，并且要求系统是线性时不变的。
传递函数可以通过数学分析或实验测量来确定，其中包括系统的零点、极点和增益。
利用传递函数，可以进行频域和时域分析，评估系统的稳定性和性能，并进行控制器设计和参数调整。
二、状态空间法状态空间法是一种基于系统状态变量的建模方法。
它将系统的状态量表示为时间的函数，通过状态方程和输出方程描述系统的动态行为。
状态空间法适用于多输入多输出系统以及具有非线性和时变特性的系统。
状态空间方法可以更直观地描述系统的动态行为，并方便进行观测器设计和状态反馈控制。
此外，状态空间法还允许将系统的非线性扩展为线性模型，并通过状态反馈控制实现对非线性系统的控制。
三、仿真方法仿真方法是通过计算机模拟来模拟和评估控制系统的性能。
它可以基于建立的模型对系统的行为进行预测，并通过仿真结果来验证系统是否满足设计要求。
常见的仿真工具包括MATLAB/Simulink、LabVIEW、Python等。
这些工具提供了丰富的模型库和仿真环境，支持不同的建模方法和仿真算法。
通过仿真方法，可以进行系统特性分析、参数优化和控制器验证，大大减少了实际系统调试的时间和成本。
四、硬件在环仿真硬件在环仿真是将实际的硬件设备与仿真模型相结合，进行实时的控制系统测试和验证。
它将计算机仿真与实际硬件连接起来，通过数值计算和物理实验相结合的方式，提供了更接近实际运行条件的仿真环境。
硬件在环仿真可以有效地评估控制系统的稳定性、鲁棒性和性能，并进行实际设备的系统集成和调试。
控制系统数字仿真 要点
词汇表1. 解析法：就是运用已经掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析、计算。
它是一种纯理论上的试验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。
2. 实验法：对于已经建立的实际系统，利用各种仪器仪表及装置，对系统施加一定类型的信号，通过测取系统的响应来确定系统性能的方法。
3. 仿真分析法：就是在模型的基础上所进行的系统性能分析与研究的实验方法，它所遵循的基本原则是相似原理。
4. 模拟仿真：采用数学模型在计算机上进行的试验研究称之为模拟仿真。
5. 数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算的方法所进行的仿真试验称之为数字仿真。
6. 混合仿真：将模拟仿真和数字仿真结合起来的仿真方法。
7. 数值计算：有效使用数字计算机求数学问题近似解的方法与过程。
数值计算主要研究如何利用计算机更好的解决各种数学问题，包括连续系统离散化和离散形方程的求解，并考虑误差、收敛性和稳定性等问题。
8. 病态问题：闭环极点差异非常大的控制系统叫做病态系统，解决这类系统的问题就叫病态问题。
9. 显式算法：在多步法中，若计算第k+1次的值时，需要的各项数据均是已知的，那么这种算法就叫做显式算法。
10. 隐式算法：在多步法中，若计算第k+1次的值时，又需要用到第k+1次的值，即算式本身隐含着当前正要计算的量，那么这种算法就叫做隐式算法。
11. 数值稳定性：数值积分法求解微分方程，实质上是通过差分方程作为递推公式进行的。
在将微分方程离散为差分方程的过程中，有可能将原本稳定的系统变为不稳定系统。
如果某个数值计算方法的累积误差不随着计算时间无限增大，则这种数值方法是稳定的，反之是不稳定的。
12. 实体：就是存在于系统中的具有实际意义的物体。
13. 属性：就是实体所具有的任何有效特征。
14. 活动：系统内部发生的任何变化过程称之为内部活动；系统外部发生的对系统产生影响的任何变化过程称之为外部活动。
15. 描述模型：是一种抽象的、无实体的，不能或者很难用数学方法精确表示的，只能用语言描述的系统模型。
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--
5( 2 s + 1) 10 s + 1
0.5
1 s(0.5 s + 1)(0.1s + 1)
2. 非线性系统仿真 求其单位阶跃响应
--
T
z − 0.98 z − 0.64
T
1 − e −Ts s
1 s( s + 1)
求 1）采样周期 ）采样周期T=0.1s 2) 采样周期 采样周期T=0.04s 单位阶跃输入时的响应特性。 单位阶跃输入时的响应特性。
•2-11
3 C=2 C=1 C=0.5
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
u --
1 1 + 0.01s
1 + 0.176 s 0.085 s
1 1 + 0.01s
--
70 1+ s
y
0.212
1. 连续系统的仿真 求其单位阶跃响应，速度输入响应、 求其单位阶跃响应，速度输入响应、加速度输入响应 改变步长、积分方法、输入信号u) （改变步长、积分方法、输入信号
•2-8
RK4求解：P79 2.5 求解： 求解
clear all h=0.05; A=[-8 1 0; -19 0 1; -12 0 0]; B=[0; 4; 10]; C=[1 0 0]; x=[0; 0; 0]; for i=1:10 k1 = A*x + B*1; k2 = A*(x+h/2*k1) + B*1; k3 = A*(x+h/2*k2) + B*1; k4 = A*(x+h*k3) + B*1; x = x + h/6*(k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4); end y = C*x
控制系统的计算机仿真
•2-1
实验一
1.连续系统数学模型之间的相互转化 教材P26页 习题 1.7 1.8
2.
•
已知一阶微分方程（教材P37页 例2.1） y (0) = 1 / 3 , h = 0.05
y = −30 y ,
试编写程序，用欧拉法求y (t = 1.5)，即y30的值。
3. 教材P79页 习题2.5 4. 教材P48页 例2.4
Matlab实现方法： 实现方法： 实现方法
P26 1.8 A=[-1 1 0;0 -1 0;0 0 -2]; B=[0;1;1]; C=[1 0 1]; D=0; [num den]=ss2tf(A,B,C,D)
欧拉法求解： 欧拉法求解：P37 2.1
clear all h=0.05; y(1)=1/3; for i=1:30 y(i+1) = y(i) + h*(-30)*y(i); end y(31)
•2-9
P48 2.4
0.212 0.1 0.01s+1 0.17s+1 0.85s 1 0.01s+1 0.15s+1 0.051s 70 0.0067s+1 0.21 0.15s+1 130 s
0.1 0.01s+1 0.0044 0.01材P51页 例2.6 页 2. 教材 教材P52页 例2.7 页 3. 教材 教材P57页 例2.8 页 4. 教材 教材P80页 习题 页 习题2.11 5. 教材 教材P82页 习题 页 习题2.17
求系统的传递函数方程
x1 y = [1 0 1] x 2 x3
模型转换的Matlab函数 函数 模型转换的
ss2tf()： 状态空间模型转换为传递函数模型 ： ss2zp()： 状态空间模型转换为零极点增益模型 ： tf2ss()： 传递函数模型转换为状态空间模型 ： tf2zp()： 传递函数模型转换为零极点增益模型 ： zp2ss()： 零极点增益模型转换为状态空间模型 ： zp2tf()： 零极点增益模型转换为传递函数模型 ：
4
模型转换的Matlab函数 函数 模型转换的
图示：
传递函数tf
tf2ss ss2tf 状态空 间ss zp2tf ss2zp zp2ss
tf2zp
零极点zpk
5
Matlab实现方法： 实现方法： 实现方法
P26 1.7 num=[1 3]; den=[1 3 3 1]; [A B C D]=tf2ss(num,den)
•2-2
1.连续系统数学模型之间的相互转化 连续系统数学模型之间的相互转化
P26 1.7
s+3 已知系统的传递函数方程为： 已知系统的传递函数方程为： G ( s ) = 3 s + 3s 2 + 3s + 1 求系统的状态方程及输出方程。 求系统的状态方程及输出方程。
P26 1.8
• x1 − 1 1 0 x1 0 • 已知系统的状态方程及输出方程 x 2 = 0 − 1 0 x 2 + 1u • 分别为： 分别为： x 3 0 0 − 2 x 3 1