仿真技术模板

1.2.3 系统、模型与数字仿真
一、系统的组成与分类
所谓系统就是由一些具有特定功能的、相互间以一定 规律联系着的物体（又称子系统）所构成的有机整体。 1、组成系统的三要素
实体：存在于系统中具有确定意义的物体 如：执行器、控制阀等 属性：实体所具有的任何有效特征 如：温度、开度、速度等 活动：系统内部发生的变化过程
仿真的基本思想
是利用物理的或数学的模型来类比模仿 现实过程，以寻求对真实过程的认识。
仿真所遵循的基本原则
• * * * 相似原理，即 几何相似 环境相似 性能形似
1.2.2 仿真的分类
• 依据相似原理仿真可分为： * 物理仿真 * 数学仿真 * 数学-物理仿真(混合仿真)
(1) 物理仿真。按照实际系统的物理性质构造系统 的物理模型，并在物理模型上进行试验研究，称之 为物理仿真 。
1.2.3 系统、模型与数字仿真
三、仿真的基本内容 二次 一次 数字仿真三要素——系统：研究的对象；模型：系统 模型化 模型化 的抽象；计算机：工具与手段
实 际 系 统
建立数 学模型
数 学 模 型
建立仿真模型 仿真实验
计 算 机
结果分析 应用
仿真结果
1.2.4 控制系统仿真的过程
• 第一步：根据仿真目的确定仿真方案 根据仿真目的确定相应的仿真结构和方法，规 定仿真的边界条件与约束条件。 • 第二步：建立系统的数学模型 对于简单的系统，可以通过某些基本定律来建 立数学模型。而对于复杂的系统，则必须利用 实验方法通过系统辩识技术来建立数学模型。 数学模型是系统仿真的依据，所以，数学模型 的准确性是十分重要。
方框图由方框、信号(带箭头的直线)和信号叠加点、 分支点组成。 方框图中，每一个方框代表了自动控制系统的一个 环节。箭头指向方框表示为该环节的输入。
常用术语： • 系统输出：是指被控对象中要求按一定规律变化的物理量，又 称被控量，它与输入量之间保持一定的函数关系。 • 给定值(参考输入)：系统的给定输入，由控制者决定的被控变 量的期望值。 • 干扰：系统不需要而又难于避免的输入，它使被控量偏离给定 值。干扰即可以来自系统内部又可来自系统外部。 • 系统输入：影响系统输出的因素，包括给定输入和干扰输入。 • 偏差：给定值-测量值。 • 操纵变量：受控于执行器(调节阀)，用于调节被控变量大小的 物理量，称为操纵变量，它是执行器的输出。
(2)数学仿真。
按照实际系统的数学关系构造系统的数学模型，
并在计算机上进行实验研究，称之为数学仿真。
数学仿真是应用性能相似原理，构造系统的数学
模型在计算机上进行实验研究的过程。
数学仿真的模型采用数学表达式来描述系统性能，若模 型中的变量不含时间关系，称为静态模型；若模型中的 变量包含有时间因素在内则称为动态模型。数学模型是 系统仿真的基础，也是系统仿真中首先要解决的问题。 由于采用计算机作为实验工具，通常也将数学仿真称为 计算机仿真或数字仿真。
模
物理模型
型
数学模型
1.2.3 系统、模型与数字仿真
二、模型的建立及其重要性 2、模型的建立 建模是仿真的基础 性工作，对仿真至 建立系统模型就是（以一定的理论为依据）把系统的 关重要。 行为概括为数学的函数关系 步骤： 1）确定模型结构，建立系统的约束条件，确定系统 的三要素——实体、属性、活动 2）测取有关的模型数据 3）运用恰当理论建立系统的数学描述，即数学模型 4）检验所建立的数学模型的准确性
• 第三步：建立仿真模型 即通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化 处理，就连续系统言，就是建立相应的差分方程。 • 第四步：编制仿真程序 对于非实时仿真，可用一般高级语言或仿真语言。 对于快速的实时仿真，往往需要用汇编语言。 • 第五步：进行仿真实验并输出仿真结果 通过实验对仿真系统模型及程序进行校验和修改， 然后按系统仿真的要求输出仿真结果。
• (4) 在实际系统上做多次试验时，很难保证每一 次的操作条件都相同，因而无法对试验结果的优 劣作出正确的判断与评价。
• (5) 试验时间太长或费用太大或者有危险。
• (6) 无法复原，例如：改建一个加热炉，想要检 查一下改建的加热炉的效率与质量，不能先改建 起来试试看，因为一改建就不可能再回到原来的 状态上去了。
(3) 数学-物理仿真
将系统的物理模型和数学模型以及部分实物 有机地组合在一起进行实验研究，称之为数学 -物理仿真，也称为混合仿真。 这种方法结合了物理仿真和数学仿真各自的 特点，常常被用于特定的场合及环境中。例如 汽车发动机试验、家电产品的研制开发、雷达 天线的跟踪、火炮射击瞄准系统等都可采用混 合仿真。
பைடு நூலகம் 人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收
导弹发射与制导系统，自动地使导弹攻击敌方目标
无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行 数控机床按照预定的程序自动地切削工件
• 干扰的存在使实际工作状态偏离所期望的运行状态。
• 控制：为了满足预期需求所进行的操作或 调整过程。 • 控制的任务可由人工控制或自动控制来完 成。
(1)系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，因 此不可能在真实系统上进行试验。
(2) 在真实系统上做试验会破坏系统的运行，例如 在一个化工系统中随意改变一下系统参数，可能导致 整个一炉成品报废；又如在经济活动中，随意把一个 决策付之行动，可能会引起经济混乱。 (3) 如果人是系统的一部分时，由于知道自己是试 验的一部分，其行动往往会和平时不一样，因此会影 响试验的效果。
1.2 控制系统仿真技术概述
1.2.1 仿真的定义
通常为了研究、分析与设计系统，需要对某些 系统进行试验。试验的方案有两种，一种是直接 在真实系统上进行，另一种则是按真实系统的 “样子”构造一个模型，在模型上进行。后者采 用的就是仿真的方法。 所谓仿真，就是用模型(物理模型或数学模型)代替 实际系统进行实验和研究。 通常由于以下原因而不采用在真实系统上做试验 的方案。
2’ 自动控制过程
若用自动控制装置代替人完成人工操作 过程，则可构成自动控制系统。
自动控制装置
• 测量元件：测量被控量的实际值，并进行物理量 的变换(变送器——人眼)。 • 比较元件：测量值与给定值比较，获得偏差。 调节元件：根据偏差产生控制信号。 (控制器：包括比较元件和调节元件——人脑) • 执行器：由控制信号改变操纵变量，作用于被控 对象，使水位偏差减小(调节阀——手+手操阀)。 • 以上元件共同作用，反复检测和控制，使水位实 际值与要求值相等。
例：水池水位系统的控制
• 控制的目的：水池的水源源不断地经过水管 流出，以供用户使用。为了使水位上升或下 降都有足够的余地，避免过满或抽空，应使 水位与要求值相等。 • 控制的手段：改变进水阀门的开度。
1 人工控制过程
• 测量过程：用眼睛作为测量工具，测量水位实际高度。 • 决策过程：通过大脑，将观测到的实际液位与期望液 位高度进行比较，得出偏差。根据偏差情况 (正、负、 大、小)进行分析运算，发出控制指令。 • 执行过程：手执行大脑的命令，改变手操进水阀的开 度，调节进水量，使水位偏差减小。 • 反复进行上述过程，使水位实际值与要求值相等 (接 近或逼近)。 • 在本例中，由于有人直接参与控制，故称为人工控制。 • 水池液位——被控变量 水池——被控对象
物理仿真与数学仿真的比较
• 在仿真研究中，数学仿真只要有一台数学仿真设备 （如计算机等），就可以对不同的控制系统进行仿 真实验和研究，而且，进行一次仿真实验研究的准 备工作也比较简单，主要是受控系统的建模、控制 方式的确立和计算机编程。 • 而物理仿真则需要进行大量的设备制造、安装、接 线及调试工作。 • 数学仿真实验所需的时间比物理仿真大大缩短，实 验数据的处理也比物理仿真简单的多。
1.1.2 自动控制
• 自动控制，是指在没有人直接参与的情况下， 利用自动控制装置（或称为控制装置或控制 器），使机器、设备或生产过程（统称为被控 对象）的某个工作状态或参数（称为被控量） 自动地按照预定的规律运行。 • 自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。 接下来以“水池水位系统”的人工控制与自动 控制为例说明自动控制的基本原理。
1.2.3 系统、模型与数字仿真
二、模型的建立及其重要性 1、模型 模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是 人们用以认识事物的一种手段。
根据相似原理，把真实系 统按比例放大或缩小制成 的模型，其状态变量与原 系统完全相同。如：飞行 用数学方程（或信号 器研制中的飞行模型；船 流图、结构图）来描( 舶制造中的船舶模型等 述系统性能的模型 (性 几何相似 )。 能相似)。
1.1.3 自动控制系统
被控对象和自动控制装置按照一定方式 连接起来，完成一定控制任务的总体，称 为自动控制系统。 自动控制系统一般包括如下几个部分
1.被控对象 2.测量单元 3.控制器 4.执行器
自动控制装置
1.1.4 自动控制系统的方框图
方框图可以直观的表达控制系统的组成及信号间的 传递关系。如：
方框图的简化：
除控制器外，将执行器、被控对象、测量单元 合并成一个环节，称为广义对象。 整个控制系统用一个大方框图表示：
1.1.5 反馈控制原理和特点
• 原理：被控变量(输出)作为反馈信号，与期望 值比较得到偏差输入；根据输入偏差大小，调 整控制信号；控制信号通过执行器的操作消除 偏差，实现控制目标。 • 反馈：输出量经过测量后的信号送到输入端。 • 反馈连接方式有负反馈和正反馈。 负反馈：反馈信号的极性与输入信号相反，使 被控对象的输出趋向期望值。 • 负反馈构成闭环是自动控制系统的结构特点。
仿真技术
授课教师：金辉 自动化教研室
课程任务
《仿真技术》是一门建立在相似理论基础上、 基于模型实验的实践性很强的综合性课程，是研 究、设计、分析各种复杂系统的重要工具。 通过本课程的学习，使学生初步掌握当前流 行的演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学课 程《自动控制原理》，学会运用MATLAB语言进行 控制系统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从 事科学研究打下较好的基础。
① 物理仿真的出发点是依据相似原理，把实际系统按比例 放大或缩小制成物理模型，其状态变量与原系统完全相同。 这种仿真多用于土木建筑、水利工程、船舶、飞机制造等方 面。例如，船舶制造，风洞实验，火力发电厂的动态模拟， 操纵控制人员的岗前培训。 ② 物理仿真的优点是直观、形象，其缺点是构造相应系统 的物理模型投资较大，周期较长，不经济。另外，一旦系统 成型后，难以根据需要修改系统的结构，仿真实验环境受到 一定的限制。
控制系统仿真过程示意图
• 一次模型化：通常将实际系统抽象为数 学模型称之为一次模型化，它涉及到系 统辩识技术问题，又称为建模问题。 • 二次模型化：将数学模型转化为可以在 计算机上运行的仿真模型，称之为二次 模型化，它涉及到仿真编程、运行、修 改参数等技术，又称为系统仿真技术。
教学内容
第一章 第二章 第三章 第四章 控制系统仿真介绍 连续系统数值积分法数字仿真 连续系统离散相似法数字仿真 快速数字仿真
学时安排与考试形式
总学时：32(其中上机实验8学时) 考试方式：闭卷
第1章 控制系统仿真介绍
1.1 控制系统仿真技术概述 1.1.1 控制
• 生产和科学实践中，要求设备、装置或生产过程按照 人们所期望的规律运行或工作。 例如
• 开环控制系统：输出量(即被控量)不返回 到系统的输入端(不反馈)。 • 闭环控制系统的特点： 1.由负反馈构成闭环，利用偏差信号进行 控制。 2.抗干扰，控制精度高。 3.存在稳定性问题。系统元件参数配合不 当，容易产生振荡，使系统不能正常工作。 4.自动控制理论主要研究闭环系统。
1.1.6 自动控制系统的分类
1.按信号流向可分为：开环系统和闭环系统。 2.按系统的输入信号可分为：恒值控制系统 (自动调节 系统)、随动控制系统(伺服系统)和程序控制系统。 3.按元器件特性可分为：线性系统和非线性系统 (数学 模型的线性与非线性)。 4.按微分方程系数的时变性可分为：定常系统和时变系 统。 5.按信号的连续性可分为：连续系统和离散系统。 6.按输入输出量可分为：单输入单输出(SISO)和多输 入多输出(MIMO)。 7.按信号性质可分为：确定性控制系统和随机控制系统。