MATLAB简介及MATLAB的基本操作
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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。
18
计算机仿真的三要素
三要素： ❖ 系统：研究的对象 ❖ 模型：系统的抽象 ❖ 计算机：工具与手段
三种基本活动： ❖ 数学模型的建立 ❖ 仿真模型的建立 ❖ 仿真实验（运行）
计算机仿真技术与CAD —基于MATLAB的控制系统
北华大学电气信息工程学院 张晓丹
2013年6月
课程任务
通过本课程的学习，使学生初步掌握演算 式MATLAB语言的基本知识，结合所学课程 《自动控制原理》、《现代控制理论》、《电 力拖动自动控制系统》等，学会运用MATLAB 语言进行控制系统仿真分析和辅助设计的基本 技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。
计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的 可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”会在不 同程度上有所改进与提高。
数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员 用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。
12
❖ 混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。 ❖ 现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基 于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计 算功能强大，使用方便，易学。80年代以来。
9
仿真的分类
一、按模型分类 ❖物理仿真：采用物理模型，有实物介入
具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长， 大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器 的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具 有实时性、在线的特点。 ❖数学仿真：采用数学模型
在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经 济、快速、实用。
10
仿真的分类
二、按计算机类型分类 ❖模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验 研究。50年代
描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具 有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件 性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较 困难，自动化程度低。
模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的 “模拟运算放大器”为主要部件所构成。
5
绪论 计算机仿真概述
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、执行 器和控制器所组成。当选定测量变送装置和执行器后，对 自动控制系统进行设计和分析研究，也就是对被控对象的 动态特性进行分析和研究，然后根据被控对象的动态特性 进行控制器的设计，以求获得能满足性能指标要求的最优 控制系统。
6
仿真和计算机仿真的概念
❖ 仿真：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。它所遵循的基本原则是相似性原理，即几何 相似、环境相似和性能相似。
❖ 计算机仿真：计算机仿真是基于所建立的系统仿 真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方 法。
7
模型的定义
模型是对现实系统有关结构信息和行为的某 种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一 种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。
2
教学内容
绪 论 计算机仿真与CAD概述 第1章 MATLAB语言基础及常用功能 第2章 控制系统的数学描述与建模 第7章 控制系统的分析方法 第8章 控制系统设计与校正 第6章 SIMULINK仿真基础
3
参考书
❖ 《反馈控制系统设计与分析—— Βιβλιοθήκη BaiduATLAB语言 应用》薛定宇，清华大学出版社，2000年
❖ 《控制系统MATLAB计算及仿真实训》黄忠霖， 国防工业出版社，2006年
❖ 《 MATLAB在自动控制中的应用》吴晓燕，西 安电子科技大学出版社，2006年
4
课程安排
❖ 总学时：24学时（课堂讲授24学时） ❖ 考核方式：考查课，学生平时综合表现、作业
占20%，计为平时成绩。期末参加随堂的笔试 考试，占80%
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。
15
仿真技术在工程中的应用
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
16
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1/10~1/5，而且设备可以重复 使用。
系统
建立数学模型
仿真实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
图0.1 计算机仿真三要素关系图
11
❖ 数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值 计算方法所进行的仿真实验。60年代
计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以 根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度可以是无 限，但是由于受到误差积累、仿真时间等因素影响，其精 度也不易定得太高。
对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的自 动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能。
8
模型的分类
（1）物理模型 ❖ 指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器
研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。 （2）数学模型 ❖ 是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再
现原型的功能或结构特征。 （3）仿真模型 ❖ 指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以
实施的模型。
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。
17
应用仿真技术的意义
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
13
仿真技术的主要用途
❖ 优化系统设计 ❖ 再现系统故障 ❖ 验证系统设计的正确性 ❖ 对系统性能进行评价和分析
14
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
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。
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计算机仿真的三要素
三要素： ❖ 系统：研究的对象 ❖ 模型：系统的抽象 ❖ 计算机：工具与手段
三种基本活动： ❖ 数学模型的建立 ❖ 仿真模型的建立 ❖ 仿真实验（运行）
计算机仿真技术与CAD —基于MATLAB的控制系统
北华大学电气信息工程学院 张晓丹
2013年6月
课程任务
通过本课程的学习，使学生初步掌握演算 式MATLAB语言的基本知识，结合所学课程 《自动控制原理》、《现代控制理论》、《电 力拖动自动控制系统》等，学会运用MATLAB 语言进行控制系统仿真分析和辅助设计的基本 技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。
计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的 可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”会在不 同程度上有所改进与提高。
数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员 用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。
12
❖ 混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。 ❖ 现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基 于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计 算功能强大，使用方便，易学。80年代以来。
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仿真的分类
一、按模型分类 ❖物理仿真：采用物理模型，有实物介入
具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长， 大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器 的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具 有实时性、在线的特点。 ❖数学仿真：采用数学模型
在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经 济、快速、实用。
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仿真的分类
二、按计算机类型分类 ❖模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验 研究。50年代
描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具 有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件 性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较 困难，自动化程度低。
模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的 “模拟运算放大器”为主要部件所构成。
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绪论 计算机仿真概述
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、执行 器和控制器所组成。当选定测量变送装置和执行器后，对 自动控制系统进行设计和分析研究，也就是对被控对象的 动态特性进行分析和研究，然后根据被控对象的动态特性 进行控制器的设计，以求获得能满足性能指标要求的最优 控制系统。
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仿真和计算机仿真的概念
❖ 仿真：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。它所遵循的基本原则是相似性原理，即几何 相似、环境相似和性能相似。
❖ 计算机仿真：计算机仿真是基于所建立的系统仿 真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方 法。
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模型的定义
模型是对现实系统有关结构信息和行为的某 种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一 种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。
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教学内容
绪 论 计算机仿真与CAD概述 第1章 MATLAB语言基础及常用功能 第2章 控制系统的数学描述与建模 第7章 控制系统的分析方法 第8章 控制系统设计与校正 第6章 SIMULINK仿真基础
3
参考书
❖ 《反馈控制系统设计与分析—— Βιβλιοθήκη BaiduATLAB语言 应用》薛定宇，清华大学出版社，2000年
❖ 《控制系统MATLAB计算及仿真实训》黄忠霖， 国防工业出版社，2006年
❖ 《 MATLAB在自动控制中的应用》吴晓燕，西 安电子科技大学出版社，2006年
4
课程安排
❖ 总学时：24学时（课堂讲授24学时） ❖ 考核方式：考查课，学生平时综合表现、作业
占20%，计为平时成绩。期末参加随堂的笔试 考试，占80%
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。
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仿真技术在工程中的应用
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
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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1/10~1/5，而且设备可以重复 使用。
系统
建立数学模型
仿真实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
图0.1 计算机仿真三要素关系图
11
❖ 数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值 计算方法所进行的仿真实验。60年代
计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以 根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度可以是无 限，但是由于受到误差积累、仿真时间等因素影响，其精 度也不易定得太高。
对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的自 动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能。
8
模型的分类
（1）物理模型 ❖ 指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器
研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。 （2）数学模型 ❖ 是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再
现原型的功能或结构特征。 （3）仿真模型 ❖ 指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以
实施的模型。
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。
17
应用仿真技术的意义
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
13
仿真技术的主要用途
❖ 优化系统设计 ❖ 再现系统故障 ❖ 验证系统设计的正确性 ❖ 对系统性能进行评价和分析
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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