自动控制系统仿真概论第一章

电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真1SchoolofElectricalEngineeringandAutomation自动控制系统计算机仿真合肥工业大学电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真2SchoolofElectricalEngineeringandAutomation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《数字信号处理》、《信号与系统》《自动控制原理》等，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。课程任务电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真3SchoolofElectricalEngineeringandAutomation电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真4SchoolofElectricalEngineeringandAutomation第1章自动控制系统仿真概述第2章控制系统计算机数字仿真基础第3章MATLAB语言的基础知识第4章控制系统数学模型及其转换第5章Simulink在系统仿真中的应用第6章自动控制系统计算机辅助分析第7章自动控制系统计算机辅助设计第8章电力系统工具箱及其应用教学内容电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真5SchoolofElectricalEngineeringandAutomation考试形式及成绩评定考勤：随机点名10%作业：10%期末考试：80%电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真6SchoolofElectricalEngineeringandAutomation教材：《自动控制系统计算机仿真》第一版，张晓江、黄云志，机械工业出版社，2009年；参考书：《控制系统数字仿真与CAD》第二版，机械工业出版社，2005；张晓华《基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用》清华大学出版社，2002年，薛定宇《控制工程基础及MATLAB实践》，高等教育出版社，2008年，张若青《MATLAB7基础与提高》，电子工业出版社，2005年，飞思科技产品研发中心参考书目电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真7SchoolofElectricalEngineeringandAutomation请大家先看一组图片什么是控制系统仿真？电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真8SchoolofElectricalEngineeringandAutomation神州飞船模拟训练仓电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真9SchoolofElectricalEngineeringandAutomation模拟飞船监控室电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真10SchoolofElectricalEngineeringandAutomation大型火力发电厂电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真11SchoolofElectricalEngineeringandAutomation火电厂生产过程示意图电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真12SchoolofElectricalEngineeringandAutomation火电仿真机电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真13SchoolofElectricalEngineeringandAutomation火电仿真机电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真14SchoolofElectricalEngineeringandAutomation火电仿真机电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真15SchoolofElectricalEngineeringandAutomation火电仿真机电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真16SchoolofElectricalEngineeringandAutomation船舶驾驶训练仿真器电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真17SchoolofElectricalEngineeringandAutomation电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真18SchoolofElectricalEngineeringandAutomation分布式发电系统实验、轻型直流输电系统实验、模拟风力发电并网系统实验、光伏发电并网系统实验。分布式发电实验室分布式发电系统实验装置、水轮/汽轮动模发电机组、(交/直/交)轻型直流输电子系统、模拟风力发电并网子系统、光伏发电并网子系统、燃料电池发电并网子系统、超级电容蓄能发电并网子系统、多线路柔性组合高压输电网络模拟子系统、负荷调控PLC控制子系统、气象站子系统、工业视频监控与集中测控操作实验台、系统仿真与动态模拟实验软件及配套设备和仪器仪表，完整配备了准工业级分布式发电系统的各实验环节。电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真19SchoolofElectricalEngineeringandAutomation它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已成为对许多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。自动控制系统仿真是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为工具，利用物理和数学模型模拟实际的或设想的系统和环境，进行仿真实验研究的一门综合技术。电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真20SchoolofElectricalEngineeringandAutomation自动控制系统仿真是一门新兴的技术学科。它是对自动控制系统进行分析、设计与综合研究的一种重要手段。目前，MATLAB为全世界自动控制领域最为流行的设计与仿真软件。自动控制系统仿真已经成为从事控制领域以及相关行业的工程技术及科研人员所必须掌握的一门技术。第1章自动控制系统仿真概述控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。1.0引言电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真21SchoolofElectricalEngineeringandAutomation1.0.1仿真技术的发展历程1、1773年，法国自然学家G.L.L.Buffon（蒲丰）的“投针实验”p=2l/(πd)；2、20世纪40年代，随模拟计算机的出现而起步/发展；3、1955年，数字计算机的出现为仿真技术的应用开辟了道路，但是“汇编语言”限制了其广泛发展；4、1966年，雷诺（T.H.Naylor）给“仿真”做出了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，包括数学与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统在若干周期内的特征”，它标志着“仿真实验”作为一种专门技术，从应用到理论的成熟。5、20世纪70年代，以FORTRAN为代表的高级语言与多种专用的仿真语言（如：MIMIC、DSL/90、CSSL、CSMP等）为“数字仿真技术”的广泛应用奠定了基础;6、1978年,美国推出的AD10数字/模拟（Digital/analog）混合计算机使“仿真技术”得以进入军事、武器装备等领域的深层应用。电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真22SchoolofElectricalEngineeringandAutomation7、20世纪80年代初，MATLAB软件出现，并广泛在欧美得到应用；8、1983年，美国国防高级研究计划局（DARPA）与陆军共同制定了仿真组网（SIMNET）计划；9、1984年，WilliamGibon（吉朋）提出了“虚拟现实”的概念，为仿真技术的应用指出了新的发展方向；10、1985年，美国推出性能更加强大AD100数字/模拟混合计算机（可用于洲际导弹/多目标飞行器实时仿真）；11、1989年，美国评出了科技领域近25年间最杰出的十项技术成果，将CAD/CAM技术列为第四项，被称为“推动了几乎所有设计领域的革命”；12、1992年，美国政府提出的22项国家关键技术中，仿真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，仿真技术被列为第6项；13、1993年，中国“银河仿真Ⅱ型机”研制成功；1.0.1仿真技术的发展历程电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真23SchoolofElectricalEngineeringandAutomation14、1996年，中国学者薛定宇所著《控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用》一书出版（清华大学出版社），它是国内最早的MATLAB专著；15、1996年，美国学者Macredie系统阐述了虚拟现实、仿真环境、面向对象的建模机制等重要概念与理论，为虚拟现实仿真技术在环境模拟与人员培训方面的广泛应用推波助澜；16、1999年，“银河高性能分布仿真计算机”在长沙诞生，这标志着我国的仿真技术已达到国际先进水平；17、1999年，《控制系统数字仿真与CAD》一书（第1版）出版（机械工业出版社），它标志着以MATLAB为平台的仿真技术类课程开始在高等院校本科生开展；18、进入21世纪，“虚拟现实仿真技术”开始在影视艺术、工业设计、生活娱乐等领域大量应用；“仿真技术”已成为“现代工程技术人员应该掌握的基本技能之一”。1.0.1仿真技术的发展历程电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真24SchoolofElectricalEngineeringandAutomation控制系统CAD（ComputerAidedDesign计算机辅助设计）作为CAD技术在自动控制系统分析与设计方面应用的分支。至今已有近40年的发展历史。发展历程软件包交互式语言面向对象的程序环境20世纪50~60年代通过手工计算和一些图表进行控制系统的初步设计；对于复杂系统，采用模拟计算机仿真的办法作为系统设计的辅助工具。模拟计算机在精度、柔性及价格上上无法与数字计算机比拟。不足1.0.2控制系统CAD的发展概况电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真25SchoolofElectricalEngineeringandAutomation20世纪70年代出现控制系统计算机辅助设计的各种软件包美国学者Melsa和Jones在1973年出版了有关控制系统计算机辅助分析和设计的专著，其中包括根轨迹法、频率响应、时域响应以及各种设计中常用的子程序，如Kalman滤波、Luenbeger观测器瑞典学者K.J.Astrom主持开发了交互式SIMNON控制系统CAD软件INTRAC和仿真程序日本学者古田胜九主持开发的DPACSF软件还有基于特征值的软件包EISPACK和线性代数软件包LINPACK等由于使用FORTRAN语言编写的源程序，对于绘图是很困难，还存在编程困难、调用过程繁琐、执行程序过多、不利于数据传送不足电气与自动化工程学院©2008HFUT自动控制系统计算机仿真26SchoolofElectricalEngineeringandAutomation20世纪80年代美国Mathwork公司推出了CleveMoler（克利夫*莫勒）等人开发的交互式MATLAB软件系统，提供了丰富的矩阵处理功能，使用简单，很快受到控制界研究者的普遍重视，还陆续开发了与之配套的各种工具箱控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）系统辩识工具箱（SystemIdentificationToolbox