控制系統(tǒng)及仿真概述

控制系統(tǒng)及仿真概述第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念為了能全面、正確地理解系統(tǒng)仿真，需要對系統(tǒng)仿真所研究的對象進(jìn)行概要的了解。這里對與系統(tǒng)仿真相關(guān)的知識——系統(tǒng)與系統(tǒng)模型進(jìn)行簡單的介紹。第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日1.系統(tǒng)

系統(tǒng)是指具有某些特定功能，相互聯(lián)系、相互作用的元素的集合。這里的系統(tǒng)是指廣義上的系統(tǒng)，泛指自然界的一切現(xiàn)象與過程。它具有兩個(gè)基本特征：整體性和相關(guān)性。整體性是指系統(tǒng)作為一個(gè)整體存在而表現(xiàn)出某項(xiàng)特定的功能，它是不可分割的。

第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日2.系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型是對實(shí)際系統(tǒng)的一種抽象，是對系統(tǒng)本質(zhì)(或是系統(tǒng)的某種特性)的一種描述。模型可視為對真實(shí)世界中物體或過程的信息進(jìn)行形式化的結(jié)果。模型具有與系統(tǒng)相似的特性，可以以各種形式給出我們所感興趣的信息。第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日

模型可以分為實(shí)體模型和數(shù)學(xué)模型。實(shí)體模型又稱為物理效應(yīng)模型，是根據(jù)系統(tǒng)之間的相似性而建立起來的物理模型。實(shí)體模型最常見的是比例模型，如風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)常用的翼型模型或建筑模型。數(shù)學(xué)模型包括原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是對系統(tǒng)的原始數(shù)學(xué)描述。仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是一種適合在計(jì)算機(jī)上演算的模型，主要是指根據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算特點(diǎn)、仿真方式、計(jì)算方法、精度要求將原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)程序。第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日數(shù)學(xué)模型可以分為許多類型。按照狀態(tài)變化可分為動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。用以描述系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的數(shù)學(xué)模型稱為動(dòng)態(tài)模型。而靜態(tài)模型僅僅反映系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下系統(tǒng)特征值間的關(guān)系，這種關(guān)系常用代數(shù)方程來描述。按照輸入和輸出的關(guān)系可分為確定性模型和隨機(jī)性模型。若一個(gè)系統(tǒng)的輸出完全可以用它的輸入來表示，則稱之為確定性系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸出是隨機(jī)的，即對于給定的輸入存在多種可能的輸出，則該系統(tǒng)是隨機(jī)系統(tǒng)。第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的操作和狀態(tài)變化僅在離散時(shí)刻產(chǎn)生的系統(tǒng)，如交通系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等等，常常用各種概率模型來描述。連續(xù)系統(tǒng)模型還可分為集中參數(shù)的和分布參數(shù)的，線性的和非線性的，時(shí)變的和時(shí)不變的，時(shí)域的和頻域的，連續(xù)時(shí)間的和離散時(shí)間的等等。表1.1列出了各種類型的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)學(xué)描述。第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日模型類型靜態(tài)系統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型連續(xù)系統(tǒng)模型離散系統(tǒng)模型集中參數(shù)分布參數(shù)離散時(shí)間數(shù)學(xué)描述代數(shù)方程微分方程狀態(tài)方程傳遞函數(shù)偏微分方程差分方程離散狀態(tài)方程概率分布排隊(duì)論第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日仿真的概念仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的。第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日仿真分類按照實(shí)現(xiàn)方式的不同可以將系統(tǒng)仿真分為如下幾類：(1)實(shí)物仿真：又稱物理仿真。它是指研制某些實(shí)體模型，使之能夠重現(xiàn)原系統(tǒng)的各種狀態(tài)。早期的仿真大多屬于這一類。它的優(yōu)點(diǎn)是直觀形象，至今仍然廣泛應(yīng)用。但是為系統(tǒng)構(gòu)造一套物理模型，將是一件非常復(fù)雜的事情，投資巨大，周期長，且很難改變參數(shù)，靈活性差。

第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日

(2)數(shù)學(xué)仿真：數(shù)學(xué)仿真就是用數(shù)學(xué)語言去表述一個(gè)系統(tǒng)，并編制程序在計(jì)算機(jī)上對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程。這種數(shù)學(xué)表述就是數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)仿真把研究對象的結(jié)構(gòu)特征或者輸入輸出關(guān)系抽象為一種數(shù)學(xué)描述(微分方程、狀態(tài)方程，可分為解析模型、統(tǒng)計(jì)模型)來研究，具有很大的靈活性，它可以方便地改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)；而且速度快，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)際系統(tǒng)很長時(shí)間的動(dòng)態(tài)演變過程；精確度高，可以根據(jù)需要改變仿真的精度；重復(fù)性好，可以很容易地再現(xiàn)仿真過程。

第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日(3)半實(shí)物仿真：又稱數(shù)學(xué)物理仿真或者混合仿真。為了提高仿真的可信度或者針對一些難以建模的實(shí)體，在系統(tǒng)研究中往往把數(shù)學(xué)模型、物理模型和實(shí)體結(jié)合起來組成一個(gè)復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，這種在仿真環(huán)節(jié)中存在實(shí)體的仿真稱為半實(shí)物仿真或者半物理仿真。這樣的仿真系統(tǒng)有飛機(jī)半實(shí)物仿真、射頻制導(dǎo)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真等，并且許多模擬器也屬于半實(shí)物仿真。第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來逼真模擬研究對象。研究對象可以是實(shí)際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)。在沒有計(jì)算機(jī)以前，仿真都是利用實(shí)物或者它的物理模型來進(jìn)行研究的，即物理仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是直接、形象、可信，缺點(diǎn)是模型受限、易破壞、難以重用。第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日計(jì)算機(jī)作為一種最重要的仿真工具，已經(jīng)推出了模擬機(jī)、模擬數(shù)字機(jī)、數(shù)字通用機(jī)、仿真專用機(jī)等各種機(jī)型并應(yīng)用在不同的仿真領(lǐng)域。除了計(jì)算機(jī)這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)臺，各種風(fēng)洞、水洞等；另一類是用于培訓(xùn)目的的各種訓(xùn)練仿真器，如培訓(xùn)原子能電站、大型自動(dòng)化工廠操作人員和訓(xùn)練飛行員、宇航員的培訓(xùn)仿真器、仿真工作臺和仿真機(jī)艙等。

第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日計(jì)算機(jī)作為一種最重要的仿真工具，已經(jīng)推出了模擬機(jī)、模擬數(shù)字機(jī)、數(shù)字通用機(jī)、仿真專用機(jī)等各種機(jī)型并應(yīng)用在不同的仿真領(lǐng)域。除了計(jì)算機(jī)這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)臺，各種風(fēng)洞、水洞等；另一類是用于培訓(xùn)目的的各種訓(xùn)練仿真器，如培訓(xùn)原子能電站、大型自動(dòng)化工廠操作人員和訓(xùn)練飛行員、宇航員的培訓(xùn)仿真器、仿真工作臺和仿真機(jī)艙等。第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日仿真的作用仿真技術(shù)具有很高的科學(xué)研究價(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性，使得仿真技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日歸納起來，仿真技術(shù)的主要用途有如下幾點(diǎn)：(1)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在實(shí)際系統(tǒng)建立以前，通過改變仿真模型結(jié)構(gòu)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常要靠仿真來優(yōu)化系統(tǒng)性能。(2)系統(tǒng)故障再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)故障原因。實(shí)際系統(tǒng)故障的再現(xiàn)必然會(huì)帶來某種危害性，這樣做是不安全的和不經(jīng)濟(jì)的，利用仿真來再現(xiàn)系統(tǒng)故障則是安全的和經(jīng)濟(jì)的。第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日(3)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。(4)對系統(tǒng)或其子系統(tǒng)進(jìn)行性能評價(jià)和分析。多為物理仿真，如飛機(jī)的疲勞試驗(yàn)。(5)訓(xùn)練系統(tǒng)操作員。常見于各種模擬器，如飛行模擬器、坦克模擬器等。(6)為管理決策和技術(shù)決策提供支持。第十八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日計(jì)算機(jī)仿真的一般過程計(jì)算機(jī)仿真的一般過程可以表述如下：(1)描述仿真問題，明確仿真目的。(2)項(xiàng)目計(jì)劃、方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)定義。根據(jù)仿真目的確定相應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu)(實(shí)時(shí)仿真還是非實(shí)時(shí)仿真，純數(shù)學(xué)仿真還是半物理仿真等)，規(guī)定相應(yīng)仿真系統(tǒng)的邊界條件與約束條件。(3)數(shù)學(xué)建模：根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)知識、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其機(jī)理研究，按照物理原理或者采取系統(tǒng)辨識的方法，確定模型的類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)。注意要確保模型的有效性和經(jīng)濟(jì)性。第十九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日(4)仿真建模：根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式、計(jì)算機(jī)類型、采用的高級語言或其它仿