第1章 仿真技术绪论与仿真语言介绍

仿真技术—控制系统数字仿真沈阳化工大学信息工程学院自动化教研室潘多涛2011.3《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。课程任务学时安排与考试形式总学时：40(其中上机实验学时14)考试方式：闭卷第一章控制系统仿真介绍第二章连续系统数值积分法数字仿真第三章连续系统离散相似法数字仿真第四章快速数字仿真第五章采样控制系统数字仿真(选讲)教学内容第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，要求设备或装置或生产过程按照人们所期望的规律运行或工作。•同时，干扰使实际工作状态偏离所期望的运行状态。•例如：卫星运行轨道；导弹飞行轨道；加热炉出口温度；电机转速等控制。•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。1.1.2自动控制•自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置使整个生产过程或工作机械(称为被控对象)自动地按照预定规律运行，或使某些物理量(称为被控变量)按照预定的要求变化。•自动控制是在人工控制的基础上发展起来的。接下来以“水位池水位系统”的人工控制与自动控制为例说明自动控制的基本原理。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：由控制信号改变操作变量，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。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，反之则为输出。常用术语：•系统输出：被控变量。•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，他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：执行器作用于被控变量，用来控制被控变量的一种手段。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。•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。1.2控制系统仿真技术概述1.2.1仿真的定义•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。•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。•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。1.2.2仿真的分类1’按模型的性质分类•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。2’按计算机的类型分类•模拟仿真模拟仿真：主要指上世纪50年代，采用数学模型在模拟计算机上进行的实验研究。特点是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。•数字仿真数字仿真：主要指上世纪60年代，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。其特点：1.计算与仿真的精度较高。2.对计算机控制系统的仿真比较方便。3.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。4.计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。5.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。•数字—模拟混合仿真结合了模拟仿真与数字仿真。•现代计算机仿真上世纪80年代以来，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。这是当前主流的仿真技术和方法。1.2.3仿真技术的应用及发展1’仿真技术在不同工程领域中的应用•航空与航天工业：飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器•电力工业：电力系统动态模型实验•原子能工业：模拟核反应堆•石油、化工及冶金工业•非工程领域：医学、社会学、宏观经济与商业策略的研究2’仿真技术的主要应用意义•经济性好•安全性高•快捷性高•具有优化设计和预测的特殊功能3’仿真技术的发展趋势•硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真。•应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中•分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。•虚拟现实技术虚拟现实技术虚拟现实，或虚拟实境(VirtualReality)，简称VR技术，也称灵境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。1.2.4计算机仿真的基本要素和基本步骤1’计算机仿真的基本要素建立数学模型仿真实验，结果分析系统模型计算机建立仿真模型2’计算机仿真的基本步骤•建立数学模型•建立仿真模型•编制系统仿真程序•仿真实验并输出仿真结果1.2.3控制系统仿真软件的发展•程序编程阶段所有问题(如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等)都是用高级语言(如C、FORTRAN等)来编写。•程序软件包阶段：出现了“应用子程序库”。•交互式语言阶段(仿真语言)仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特征值的求解”，使用人员不必考虑什么算法，以及如何实现等低级问题。•模型化图形组态阶段：符合设计人员对基于模型图形化的描述MATLAB和SIMULINK•1970年代中期，时任美国新墨西哥大学(UniversityofNewMexico)教授的克里夫·莫勒尔(CleveMoler)和他的同事在美国国家自然科学基金的资助下开发了LINPACK和EISPACK的Fortran子程序库。•1970年代末期，他为了让学生更方便地使用LINPACK及EISPACK(需要通过FORTRAN编程来实现，但当时学生们并无相关知识)，独立编写了第一个版本的MATLAB。这个版本的MATLAB只能进行简单的矩阵运算，例如矩阵转置、计算行列式和特征值。•1984年，杰克·李特(JackLittle)、克里夫·莫勒尔和斯蒂夫·班格尔特(SteveBangert)合作成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场。李特和班格尔特花了约一年半的时间用C重新编写了MATLAB并增加了一些新功能。•MATLAB语言除了使用简单、容易学习和使用，扩展能力强、编程效率高，运算功能强大，以及界面友好等优点外，更重要的一点是具有大量的配套工具箱，如对于控制系统来说，就有控制系统工具箱、系统辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工具箱、神经网络工具箱、最优化工具箱、模糊控制工具箱等。而这些工具箱的设计者都是相应领域的著名专家。•目前世界上100多个国家的超过一百万工程师和科学家在使用MATLAB和Simulink。