控制系統(tǒng)仿真第一章

前言是一種模仿行為。仿真：仿真：通過有效模型對(duì)真實(shí)或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)

實(shí)驗(yàn)研究的綜合性模擬試驗(yàn)。仿真實(shí)際的系統(tǒng)。模仿仿真技術(shù)：以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合集成計(jì)算機(jī)、

自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程信息處理等眾多領(lǐng)域的一門實(shí)驗(yàn)技術(shù)。建立在模型基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。仿真技術(shù)：仿真技術(shù)：起源于軍事領(lǐng)域，用于對(duì)實(shí)彈打靶的模擬仿真，以減少多次實(shí)彈打靶的費(fèi)用。航天、航空、兵器、船舶、水利水電電子、通訊、機(jī)械、天文、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、信息領(lǐng)域仿真技術(shù)的發(fā)展：以強(qiáng)勁的有效需求為牽引以強(qiáng)大的經(jīng)費(fèi)支持做后盾航天、航空、兵器、船舶等部門的多個(gè)研究所都有不同規(guī)格、不同用途的仿真實(shí)驗(yàn)室。第一章緒論1.1基本概念1.2仿真的分類1.3仿真的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用1.4仿真的發(fā)展1.5教學(xué)準(zhǔn)備及安排1.1基本概念一、控制系統(tǒng)1.圖示由被控對(duì)象及使被控對(duì)象按人的意愿運(yùn)行的控制器組成的閉合回路。廣義被控對(duì)象2.組成廣義控制器包括三部分a.計(jì)算裝置模擬式----運(yùn)放搭成的模擬控制器數(shù)字式----計(jì)算機(jī)b.作動(dòng)器電、液、氣、熱裝置等c.測(cè)量反饋裝置測(cè)速，測(cè)位，測(cè)溫3.特點(diǎn)：控制系統(tǒng)是實(shí)體的集合。

控制系統(tǒng)具有目的性：完成特定功能：液位、位置、速度、溫度滿足性能指標(biāo)：控制精度、超調(diào)、振蕩次數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：確定控制器的類型、結(jié)構(gòu)、參數(shù)。這是一個(gè)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、再設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證的反復(fù)過程。驗(yàn)證：仿真驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。常用模型列于下表：連續(xù)系統(tǒng)離散系統(tǒng)微分方程差分方程x(k+1)=g(x(k),u(k),k)傳遞函數(shù)G(s)脈沖傳遞函數(shù)K(z)狀態(tài)方程A,B,C,D離散狀態(tài)方程A(k),B(k),C(k),D(k)二、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)某種特定性能的一種抽象形式。例如：電機(jī)的調(diào)速特性：n=Km*v電機(jī)的速度響應(yīng)：k/（Ts+1）靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性機(jī)電時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)輸入輸出的數(shù)量對(duì)應(yīng)關(guān)系過渡過程：輸出與時(shí)間的關(guān)系k/（T’s2+Ts+1）三、控制系統(tǒng)建模1.建模方法建模是仿真的基礎(chǔ)。分析法：運(yùn)用已知的定理、定律推導(dǎo)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)法：將系統(tǒng)視為黑箱，加入激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量其輸出。綜合法：將分析法與實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合。用分析法確定模型結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)法確定參數(shù)。2.建模要求相似：動(dòng)態(tài)過程相似精確：模型中的數(shù)據(jù)要正確反映控制系統(tǒng)中的定量關(guān)系。相關(guān)：模型只保留與研究目的相關(guān)的部分，合理簡(jiǎn)化。（1）數(shù)學(xué)模型的正確與否和精確度程度直接影響到仿真的置信度。（2）數(shù)學(xué)模型的建立必須針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域和預(yù)期的使用目的。同一客觀事物的描述可以建立不同形式和不同精度的數(shù)學(xué)模型。直流電動(dòng)機(jī)建模：分析法簡(jiǎn)化+JL直流電動(dòng)機(jī)建模：分析法電樞回路方程反電勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的力矩方程輸入-輸出頻譜分析伺服系統(tǒng)建模：綜合法模型擬合四、控制系統(tǒng)仿真對(duì)控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究仿真過程： 主要包括以下幾個(gè)階段：?jiǎn)栴}描述，系統(tǒng)模型建立，模型轉(zhuǎn)換，模型校核、驗(yàn)證和確認(rèn)，實(shí)驗(yàn)方案制定，仿真實(shí)驗(yàn)、結(jié)果分析。1.2仿真的分類數(shù)學(xué)仿真：對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為數(shù)學(xué)仿真。數(shù)學(xué)仿真優(yōu)點(diǎn)：方便、靈活、經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)仿真缺點(diǎn)：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。1.根據(jù)模型的物理屬性分類functiondotx=func4(t,x)a=[010;001;-22.06-27-10];b=[0;0;40.6];dotx=a*x+b;物理仿真：按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為物理仿真。物理仿真的缺點(diǎn)：模型改變困難，實(shí)驗(yàn)限制多，投資較大。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)：直觀、形象，也稱為“模擬”。飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)汽車碰撞試驗(yàn)……半物理仿真：將數(shù)學(xué)模型與物理模型或?qū)嵨锫?lián)合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單的部分或?qū)ζ湟?guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。對(duì)比較復(fù)雜的部分或?qū)σ?guī)律尚不十分清楚的部分，或希望考察其性能的部件，則采用物理模型或?qū)嵨?。仿真時(shí)將兩者連接起來完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。是目前應(yīng)用最廣的一種仿真模式。被試件（實(shí)物）被試件（實(shí)物）仿真設(shè)備：模擬姿態(tài)運(yùn)動(dòng)（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)）主仿真機(jī)：數(shù)學(xué)模型某型飛機(jī)半物理仿真框圖被試件（實(shí)物）仿真設(shè)備：模擬姿態(tài)運(yùn)動(dòng)（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)）主仿真機(jī)：數(shù)學(xué)模型仿真設(shè)備：模擬無線電特性某型導(dǎo)彈半物理仿真框圖某型導(dǎo)彈半物理仿真框圖被試件（實(shí)物）仿真設(shè)備：模擬姿態(tài)運(yùn)動(dòng)（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)）主仿真機(jī)：數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算機(jī)仿真這是50－60年代普遍采用的仿真設(shè)備。將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在模擬機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)稱為模擬計(jì)算機(jī)仿真。2.根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)類型分類模擬機(jī)仿真是一種并行仿真，仿真時(shí)，代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。為了發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)并行計(jì)算和數(shù)字計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存貯記憶及控制功能，以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜系統(tǒng)的高速仿真，將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，另一部分放在數(shù)字計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間利用模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換裝置交換信息。

數(shù)字模擬混合仿真將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型用計(jì)算機(jī)程序加以實(shí)現(xiàn)，通過運(yùn)行程序來得到數(shù)學(xué)模型的解，從而達(dá)到系統(tǒng)仿真的目的。數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真則是一種串行仿真，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只有一個(gè)中央處理器（CPU），計(jì)算機(jī)指令只能逐條執(zhí)行。數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的仿真。目前發(fā)展非常迅速，應(yīng)用十分廣泛。網(wǎng)絡(luò)仿真分布交互仿真；網(wǎng)絡(luò)游戲……實(shí)時(shí)仿真仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致，模型仿真的速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同。當(dāng)被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r(shí)，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。故物理仿真和半物理仿真均為實(shí)時(shí)仿真。3.根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間稱為實(shí)際時(shí)鐘，系統(tǒng)仿真時(shí)模型所采用的時(shí)鐘稱為仿真時(shí)鐘。仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度快于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度。亞實(shí)時(shí)仿真（欠實(shí)時(shí)仿真）仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘，模型仿真的速度慢于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度，也稱為離線仿真。超實(shí)時(shí)仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)。分為：集中參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用常微分方程（組）描述；分布參數(shù)系統(tǒng)模型，一般用偏微分方程（組）描述。4.根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類離散時(shí)間變化模型中的差分模型歸為連續(xù)系統(tǒng)仿真范疇。狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上,這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)的；

“事件”往往發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上，亦稱為隨機(jī)事件，因而一般都具有隨機(jī)特性；系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難用人們所熟悉的數(shù)學(xué)方程形式描述，研究分析的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能而不是行為的點(diǎn)軌跡。離散事件系統(tǒng)是指在某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。例如：排隊(duì)系統(tǒng)、庫(kù)存系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)仿真與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別1.3仿真的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用一、優(yōu)點(diǎn)1.安全可靠，無破壞性/破壞性可控2.經(jīng)濟(jì)效益好3.縮短研制周期4.可多次重復(fù)二、應(yīng)用/目的在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，仿真技術(shù)都得到應(yīng)用。方案論證階段數(shù)學(xué)仿真簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型確定總體方案設(shè)計(jì)階段數(shù)學(xué)仿真為主物理仿真為輔精確的數(shù)學(xué)模型元部件為實(shí)物確定元部件及控制策略樣機(jī)驗(yàn)證階段物理仿真為主數(shù)學(xué)仿真為輔控制器為實(shí)物精確的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化控制參數(shù)，完善系統(tǒng)性能及功能使用階段物理仿真為主數(shù)學(xué)仿真為輔控制器/元部件為實(shí)物精確的數(shù)學(xué)模型故障分析；系統(tǒng)改進(jìn)美國(guó)三種典型導(dǎo)彈研制過程中仿真技術(shù)的作用計(jì)劃發(fā)射（枚）實(shí)際發(fā)設(shè)（枚）節(jié)省導(dǎo)彈（枚）節(jié)省費(fèi)用（千萬(wàn)美元）愛國(guó)者141101408．0羅蘭特224951294．2尾刺185114712．5節(jié)省研制費(fèi)用10%-40%，縮短研制周期30%-40%。型號(hào)研制周期靶試發(fā)數(shù)AIM-9D1960-1964129AIM-9L1972-197569AIM-9M1978-198135美國(guó)響尾蛇導(dǎo)彈靶試情況1.4仿真的發(fā)展一、發(fā)展過程2.混合仿真時(shí)期：為滿足實(shí)時(shí)仿真的要求，用接口將數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)連接，形成混合計(jì)算機(jī)。其中，數(shù)字機(jī)---高精度的慢變過程；模擬機(jī)—低精度的快變過程。1.模擬仿真時(shí)期：采用模擬計(jì)算機(jī)40年代末—專用模擬機(jī)；50年代初—通用模擬機(jī)。3.數(shù)字仿真時(shí)期

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展----〉硬件數(shù)值算法發(fā)展------〉理論仿真語(yǔ)言發(fā)展-----〉軟件4.現(xiàn)代仿真技術(shù)時(shí)期

仿真可視化仿真過程智能化

仿真發(fā)展過程智能仿真云仿真/云計(jì)算21世紀(jì)二、發(fā)展趨勢(shì)2.仿真集成環(huán)境技術(shù)方向：數(shù)