1、1以基础知识和应用能力培养为目标，注重应用型人以基础知识和应用能力培养为目标，注重应用型人才专业技能和实用技术的培养才专业技能和实用技术的培养系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理论及其应用技术论及其应用技术掌握仿真原理及仿真算法，熟练运用掌握仿真原理及仿真算法，熟练运用MATLAB和和SIMULINK对控制系统进行仿真编程、调试及运行对控制系统进行仿真编程、调试及运行课程讲授中，强调以应用技术为主线，通过实例分课程讲授中，强调以应用技术为主线，通过实例分析强化知识的的理解析强化知识的的理解教学内容由浅入深，循序渐进，层次清晰，脉络分教学内容由
2、浅入深，循序渐进，层次清晰，脉络分明，突出重点，相关概念、理论及应用均以基本要明，突出重点，相关概念、理论及应用均以基本要求为主求为主第1页/共30页2 通过本章学习，应该掌握以下内容：通过本章学习，应该掌握以下内容： 自动控制的基本概念及其应用自动控制的基本概念及其应用 控制系统的分类和总体性能要求控制系统的分类和总体性能要求 系统仿真的概念及其特点系统仿真的概念及其特点 系统仿真的分类及仿真过程系统仿真的分类及仿真过程 计算机仿真的特点及其应用计算机仿真的特点及其应用 第2页/共30页3 1. 系统的定义 控制工程中，由相互联系、相互作用的物体控制工程中，由相互联系、相互作用的物体所形成的
3、具有特定功能和运动规律的有机整体所形成的具有特定功能和运动规律的有机整体称为系统。称为系统。 日常生活中常见的温度控制、速度调节、交日常生活中常见的温度控制、速度调节、交通管理、民航订票、生态监控等等，都可以看通管理、民航订票、生态监控等等，都可以看作是一个完整的系统。作是一个完整的系统。1.1.1 系统的含义与特性系统的含义与特性 1.1 自动控制的基本知识自动控制的基本知识 第3页/共30页4 2. 系统的三要素（1）实体：系统是由一些相互联系的实际物体组）实体：系统是由一些相互联系的实际物体组合而成的，这些物体称为实体。合而成的，这些物体称为实体。（2）属性：组成系统的每个实体都具备一定
4、的特）属性：组成系统的每个实体都具备一定的特征，这些特征称为系统的属性。征，这些特征称为系统的属性。（3）活动：系统在内外部因素的作用下会按照一）活动：系统在内外部因素的作用下会按照一定的规律发生变化，此变化过程称之为活动。定的规律发生变化，此变化过程称之为活动。 自然界中的系统形形色色，其外在形状或内部自然界中的系统形形色色，其外在形状或内部构造存在一定的差别，总归由一些实体组成，每构造存在一定的差别，总归由一些实体组成，每个实体有一些主要属性，各个系统有其主要的活个实体有一些主要属性，各个系统有其主要的活动。动。 第4页/共30页5 3. 系统的特性系统的特性 一个完整的系统应该具备以下几
5、个方面的主一个完整的系统应该具备以下几个方面的主要特性：要特性：（1）整体性）整体性（2）结构性）结构性（3）相关性）相关性（4）历时性）历时性（5）有序性）有序性第5页/共30页61.1.2 自动控制的概念及应用自动控制的概念及应用 1. 自动控制的相关概念自动控制的相关概念（1）控制：对被控对象进行主动的干预、管理和）控制：对被控对象进行主动的干预、管理和操纵的过程。操纵的过程。（2）自动控制：采用控制装置自动地、有目的地）自动控制：采用控制装置自动地、有目的地对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期对机器设备或生产过程进行控制，使之达到预期的状态或性能要求。的状态或性能要求。（3）自动
6、控制系统：指由控制装置与被控对象等）自动控制系统：指由控制装置与被控对象等结合起来且能够对被控对象的一些物理量进行自结合起来且能够对被控对象的一些物理量进行自动控制的一个有机整体。动控制的一个有机整体。第6页/共30页7 2. 自动控制的任务 利用控制装置自动地操纵控制对象，使被控量利用控制装置自动地操纵控制对象，使被控量等于系统所应保持的给定值。等于系统所应保持的给定值。 若系统给定值以时间函数表示，被控量以时间若系统给定值以时间函数表示，被控量以时间函数表示，则自动控制的任务可以采用下面的数函数表示，则自动控制的任务可以采用下面的数学表达式来表示：学表达式来表示： 式式 中：中：被控量也称
7、为输出量被控量也称为输出量给定值也称为输入量给定值也称为输入量)()(trtc第7页/共30页8 1.1.3 对控制系统的性能要求对控制系统的性能要求 系统在外信号作用下被控量随时间变化的过程系统在外信号作用下被控量随时间变化的过程称动态过程，也叫过渡过程；称动态过程，也叫过渡过程； 当输出量稳定在新的平衡状态并保持不变时，当输出量稳定在新的平衡状态并保持不变时，称稳态过程。称稳态过程。 工程实际中对控制系统的总体性能要求是：工程实际中对控制系统的总体性能要求是：系统稳定程度要高系统稳定程度要高动态过程平稳性要好动态过程平稳性要好系统响应时间要短系统响应时间要短最终控制精度要高最终控制精度要高
8、 概括为稳、快、准三个字。概括为稳、快、准三个字。第8页/共30页91.2 控制系统的组成及分类控制系统的组成及分类 1.2.1 控制系统的组成控制系统的组成 以图以图1-3所示典型闭环控制系统为例。所示典型闭环控制系统为例。 图图1-3 典型闭环控制系统结构图典型闭环控制系统结构图G1G2H+rebmnc+-第9页/共30页10 1. 典型装置及其含义（1）控制装置）控制装置G1：对被控对象起控制作用的设备总称：对被控对象起控制作用的设备总称（2）被控对象）被控对象G2：系统中的被控制对象：系统中的被控制对象（3）反馈环节）反馈环节H：用于检测系统输出状况的测量装置：用于检测系统输出状况的测
9、量装置（4）比较环节：在系统中进行信号叠加的作用点）比较环节：在系统中进行信号叠加的作用点2. 各类信号及其含义（1）输入信号：系统外部输入量，即给定值）输入信号：系统外部输入量，即给定值（2）输出信号：系统的输出量，也称被控制量）输出信号：系统的输出量，也称被控制量（3）主反馈信号：从系统输出端取出，经过测量和变换又引）主反馈信号：从系统输出端取出，经过测量和变换又引入到系统输入端的信号入到系统输入端的信号（4）偏差信号：输入信号与主反馈信号之差，）偏差信号：输入信号与主反馈信号之差，erb（5）控制信号：控制装置的输出量）控制信号：控制装置的输出量（6）干扰信号：系统内部和外部的干扰量）干
10、扰信号：系统内部和外部的干扰量第10页/共30页113. 有关的名词术语（1）前向通道：从系统输入端到输出端的正向传输通道）前向通道：从系统输入端到输出端的正向传输通道（2）主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道）主反馈通道：从输出量到主反馈信号之间的通道（3）主反馈回路：前向通道与主反馈通道的闭合回路）主反馈回路：前向通道与主反馈通道的闭合回路（4）局部反馈回路：信号从前向通道与反馈通道连续传）局部反馈回路：信号从前向通道与反馈通道连续传输的闭合回路。输的闭合回路。（5）单位反馈系统：主反馈环节）单位反馈系统：主反馈环节H=1时时（6）非单位反馈系统：主反馈环节）非单位反馈系统：主反馈环
11、节H1。第11页/共30页121.2.2 控制系统的分类控制系统的分类 控制系统有以下几种分类方法。控制系统有以下几种分类方法。1. 按系统的物理特征分类按系统的物理特征分类（1）工程系统）工程系统（2）非工程系统）非工程系统2. 按系统的输出特征分类按系统的输出特征分类（1）随动系统）随动系统（2）自动稳定系统）自动稳定系统（3）程序控制系统）程序控制系统（4）数字控制系统）数字控制系统 第12页/共30页133. 按系统的数学模型分类按系统的数学模型分类（1）线性系统）线性系统（2）非线性系统）非线性系统4. 按系统中信号的变化规律分类按系统中信号的变化规律分类（1）线性连续系统）线性连续
12、系统（2）采样系统）采样系统（3）离散事件系统）离散事件系统5. 按系统的复杂程度分类按系统的复杂程度分类（1）简单系统）简单系统（2）复杂系统）复杂系统第13页/共30页141.3 开环控制与闭环控制的基本原理开环控制与闭环控制的基本原理 按系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统的控按系统输入信号特点和有无测量反馈信号，可将系统的控制方式分为开环控制和闭环控制两大类。制方式分为开环控制和闭环控制两大类。1.3.1 按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制 按照系统给定值来控制输出量，两者之间一一对应。其按照系统给定值来控制输出量，两者之间一一对应。其控制过程如图控制过程如图1-6所
13、示。所示。 按给定值操纵的开环控制具备以下特点：按给定值操纵的开环控制具备以下特点：（1）信号单向传递）信号单向传递（2）控制精度比较低）控制精度比较低（3）结构简单，成本低，容易实现）结构简单，成本低，容易实现第14页/共30页15图图1-6 按给定值操纵的开环控制按给定值操纵的开环控制控制器执行机构被控对象给定值被控量干扰第15页/共30页161.3.2 按干扰值补偿的开环控制按干扰值补偿的开环控制 输入量是外部干扰信号，经过测量利用干扰信号产生控制输入量是外部干扰信号，经过测量利用干扰信号产生控制作用，以补偿或抵消其对系统的影响。作用，以补偿或抵消其对系统的影响。 控制过程如图控制过程如
14、图1-8。 计算执行被控对象测量被控量干扰量图1-8 按干扰补偿的开环控制第16页/共30页17按干扰值补偿的开环控制具备以下特点：按干扰值补偿的开环控制具备以下特点：（1）外部输入干扰量经测量、计算、执行装置到被）外部输入干扰量经测量、计算、执行装置到被控对象单向传递；控对象单向传递；（2）系统干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰）系统干扰信号端加入测量装置以后，可将干扰量检测出来并对其进行补偿；量检测出来并对其进行补偿；（3）常用于系统内外部干扰信号较大且可以测量的）常用于系统内外部干扰信号较大且可以测量的场合。场合。第17页/共30页18 1.3.3 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环
15、控制 系统输出量负反馈到输入端，靠输入量与反系统输出量负反馈到输入端，靠输入量与反馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫做馈信号之间的偏差对输出量进行控制的系统叫做闭环控制系统。闭环控制系统。 原理是通过传感器测量出系统的实际输出值，原理是通过传感器测量出系统的实际输出值，负反馈到输入端与系统的给定值比较产生偏差，负反馈到输入端与系统的给定值比较产生偏差，再按照偏差的大小自动地加以修正。再按照偏差的大小自动地加以修正。 其控制过程如图其控制过程如图1-9所示。所示。第18页/共30页19图图1-9 按偏差调节的闭环控制按偏差调节的闭环控制 控制器执行机构被控对象测量给定值被控量干扰-第19页
16、/共30页20 按偏差调节的闭环控制系统有以下几方面的按偏差调节的闭环控制系统有以下几方面的特点：特点：（1）信号可单向传递同时又有反馈传递，形成闭）信号可单向传递同时又有反馈传递，形成闭合回路；合回路；（2）为了得到偏差信号须采用负反馈；）为了得到偏差信号须采用负反馈；（3）可自动修正输出量偏离给定值，并对系统的）可自动修正输出量偏离给定值，并对系统的内、外部干扰进行补偿；内、外部干扰进行补偿；（4）控制精度较高，使用场合比较广。）控制精度较高，使用场合比较广。第20页/共30页211.4.1 系统仿真概述系统仿真概述 1. 系统仿真的定义系统仿真的定义 指利用模型对实际系统进行实验研究的过
17、程。指利用模型对实际系统进行实验研究的过程。 2. 数据相似原理数据相似原理 主要表现在：主要表现在：（1）描述原型和模型的数学表达式在形式上完全相）描述原型和模型的数学表达式在形式上完全相同；同；（2）变量之间存在着一一对应的关系且成比例；）变量之间存在着一一对应的关系且成比例；（3）一个表达式的变量被另一个表达式中相应变量）一个表达式的变量被另一个表达式中相应变量置换后，表达式对应各项的系数保持相等。置换后，表达式对应各项的系数保持相等。1.4 系统仿真的基本知识系统仿真的基本知识第21页/共30页223. 系统仿真三要素系统仿真三要素 将实际系统、数学模型、计算机称为系统仿真的三要素。将
18、实际系统、数学模型、计算机称为系统仿真的三要素。其相互关系可表示为图其相互关系可表示为图1-13所示。所示。数学模型计算机实际系统模型转换仿真试验模型建立图1-13 系统仿真三要素的对应关系第22页/共30页231.4.2 系统仿真的步骤和过程系统仿真的步骤和过程 1. 系统仿真的步骤系统仿真的步骤 将一个实际控制系统放到计算机上进行仿真，将一个实际控制系统放到计算机上进行仿真，得出需要的仿真结果，应该经历以下得出需要的仿真结果，应该经历以下8个步骤：个步骤：（1）系统定义）系统定义（2）建立数学模型）建立数学模型（3）模型变换）模型变换（4）设计仿真实验）设计仿真实验（5）模型加载）模型加载
19、（6）仿真实验）仿真实验（7）模型校验）模型校验（8）提交仿真报告）提交仿真报告第23页/共30页24 2. 系统仿真的过程系统仿真的过程 为了将实际控制系统放到计算机上仿真并得出需为了将实际控制系统放到计算机上仿真并得出需要的仿真结果，应该有以下几个典型过程。要的仿真结果，应该有以下几个典型过程。（1）定义系统明确仿真目的）定义系统明确仿真目的（2）建立系统的数学模型）建立系统的数学模型（3）将系统的数学模型转化换仿真模型）将系统的数学模型转化换仿真模型（4）编制仿真程序）编制仿真程序（5）进行仿真实验并输出结果）进行仿真实验并输出结果第24页/共30页25 一般情况下，可把系统仿真分成以下
20、三大类别。一般情况下，可把系统仿真分成以下三大类别。 1. 按仿真模型的种类划分按仿真模型的种类划分（1）物理仿真）物理仿真（2）数学仿真）数学仿真（3）数学）数学物理仿真物理仿真 2. 按仿真模型与实际系统的时间关系划分按仿真模型与实际系统的时间关系划分（1）实时仿真）实时仿真（2）超实时仿真）超实时仿真（3）慢时实仿真）慢时实仿真3. 按系统随时间变化的状态分按系统随时间变化的状态分（1）连续系统）连续系统（2）离散事件系统仿真）离散事件系统仿真 1.4.3 系统仿真的分类系统仿真的分类 第25页/共30页261.5 计算机仿真的特点及其应用计算机仿真的特点及其应用 1.5.1 计算机仿真
21、的特点计算机仿真的特点1. 模拟计算机仿真模拟计算机仿真 优点是采用并行运算，速度快，输出为连续量，易于与优点是采用并行运算，速度快，输出为连续量，易于与实物连接，比较接近实际的控制系统；实物连接，比较接近实际的控制系统； 缺点是计算精度比较低，对复杂系统仿真时线路上实现缺点是计算精度比较低，对复杂系统仿真时线路上实现的难度较大，且自动化程度低。的难度较大，且自动化程度低。2. 数字计算机仿真数字计算机仿真 优点是仿真计算精度高，使用方便，修改参数容易，采用优点是仿真计算精度高，使用方便，修改参数容易，采用程序控制，自动化程度高；程序控制，自动化程度高； 缺点是由于数字计算机的工作是缺点是由于
22、数字计算机的工作是“串行串行”计算，仿真速度计算，仿真速度较慢，实时仿真有一定困难。较慢，实时仿真有一定困难。 第26页/共30页273. 混合计算机仿真混合计算机仿真 数数模混合计算机仿真在对控制系统进行参数模混合计算机仿真在对控制系统进行参数寻优、统计分析等反复迭代运算，以及要求与实寻优、统计分析等反复迭代运算，以及要求与实物结合连续进行实时仿真、同时又有一些复杂的物结合连续进行实时仿真、同时又有一些复杂的函数需要计算的场合中有着明显的优势。函数需要计算的场合中有着明显的优势。4. 微型计算机阵列仿真微型计算机阵列仿真 采用多台微型计算机构成全数字式仿真系统即采用多台微型计算机构成全数字式
23、仿真系统即微型计算机阵列仿真，可以进一步提高仿真的功微型计算机阵列仿真，可以进一步提高仿真的功能和自动化程度，也为分布式控制系统仿真打下能和自动化程度，也为分布式控制系统仿真打下良好的基础。良好的基础。第27页/共30页28 由于仿真技术的特殊功效，特别是安全性和经由于仿真技术的特殊功效，特别是安全性和经济性，使得计算机仿真得到广泛的应用。济性，使得计算机仿真得到广泛的应用。 主要归纳为以下两个方面：主要归纳为以下两个方面：1. 控制系统的分析、设计与试验控制系统的分析、设计与试验（1）论证系统设计立题方案的正确性、可行性）论证系统设计立题方案的正确性、可行性（2）用于创建新的控制系统）用于创
24、建新的控制系统（3）对已设计好的系统进行考核）对已设计好的系统进行考核（4）控制系统进行最优设计与最优控制）控制系统进行最优设计与最优控制（5）对已有的老系统进行分析调整）对已有的老系统进行分析调整1.5.2 计算机仿真技术的应用计算机仿真技术的应用第28页/共30页29 2. 训练与教育训练与教育（1）运行仿真器）运行仿真器（2）船舶操纵仿真系统）船舶操纵仿真系统（3）电站、电力网、化工厂等操纵控制人员的）电站、电力网、化工厂等操纵控制人员的仿真系统仿真系统（4）军事指挥仿真系统）军事指挥仿真系统（5）非工程领域的仿真应用）非工程领域的仿真应用第29页/共30页30本本 章章 结结 束束 第30页/共30页
