1、第6章自動控制及其仿真概述第1頁，共31頁。6.1 自動控制系統概述 6.1.1 自動控制的基本概念 6.1.2 自動控制系統的基本形式及特點 61.3 自動控制系統的分類 6.1.4 對自動控制系統的要求及性能評價主要內容第2頁，共31頁。6.2控制系統仿真概述6.2.1 計算機仿真和輔助設計的基本概念6.2.2 計算機仿真模型6.2.3 計算機仿真的三要素及基本步驟 6.2.4 仿真的分類6.2.5 仿真技術的應用及其意義6.2.6 仿真技術的發展趨勢6.2.7 計算機仿真軟件6.2.8 相關網絡資源主要內容第3頁，共31頁。6.1.1 自動控制的基本概念控制：在自動控制原理中，“控制”是

2、指為了克服各種擾動的影響，達到預期的目標，對生產機械或過程中的某一個或某一些物理量進行的操作。如我們在制作智能車的過程中，對智能車電機的方向和速度的控制；或對機器人的控制等。再如神舟飛船的發射、飛船在軌運行時姿態的控制、飛船返回地面時測控雷達的控制等。這里涉及到被控變量的概念。如智能車電機的方向和速度即是被控變量，也稱為被控量。第4頁，共31頁。6.1.1 自動控制的基本概念自動控制系統：由被控對象和控制器按一定方式連接起來，完成某種自動控制任務的有機整體。其中起控制功能的裝置稱為控制器?？刂葡到y分類：在對被控量進行控制時，按系統中是否有人參與，可分為人工控制和自動控制。若由人來完成對被控量的

3、控制，稱為人工控制；若由自動控制裝置代替人來完成這種操作，稱為自動控制。也有從控制對象生產工藝過程的性質、特點出發，將控制系統分為兩大類：一類是以機械運動為主要生產形式，以電動機為執行機構的“電力拖動自動控制系統”；另一類是以化學反應或者熱能轉換為主要生產形式，以自動化儀表與裝置為檢測與執行機構的“工業生產過程控制系統”。 第5頁，共31頁。6.1.2 自動控制系統的基本形式及特點 自動控制系統按其基本結構形式而言，可分為2種類型： 開環控制系統和閉環控制系統開環控制系統的特點是輸出量即被控量不返回到系統的輸入端開環控制系統結構圖：第6頁，共31頁。6.1.2 自動控制系統的基本形式及特點 由

4、于在開環控制系統中，控制器與被控對象之間只有順向作用而無反向聯系，系統的被控變量對控制作用沒有影響，系統的控制精度完全取決于所用元器件的精度和特性調整的準確度。因此，開環系統只有在輸出量難于測量且要求控制精度不高及擾動的影響較小或擾動的作用可以預先加以補償的場合，才得以廣泛應用。對于開環控制系統，只要被控對象穩定，系統就能穩定地工作。第7頁，共31頁。6.1.2 自動控制系統的基本形式及特點 閉環控制系統方框圖第8頁，共31頁。6.1.2 自動控制系統的基本形式及特點 閉環控制系統的特點是：（1）利用負反饋的作用來減小系統誤差。由圖可以看出，系統輸出量偏離期望值時，這個偏差將被檢測出來，對控制

5、作用產生影響，從而使系統具有自動修正被控量偏離的能力，減小了系統誤差，較好地實現了自動控制的功能。（2）能有效抑制被反饋通道包圍的前向通道中各種擾動對系統輸出量的影響。（3）可減小被控對象的參數變化對輸出量的影響。（4）帶來了系統穩定性的問題第9頁，共31頁。6.1.3 自動控制系統的分類 （1）按信號流向分，可分為開環控制系統和閉環控制系統。（2）按系統的輸入信號劃分可分為恒值控制系統（自動調節系統）、隨動控制系統（伺服系統）和程序控制系統。恒值控制系統的特點是輸入信號為某個恒定不變的常數，要求系統的被控量盡可能保持在期望值附近。主要任務是抑制擾動。隨動控制系統的特點是輸入信號隨時間任意變化

6、的函數，要求系統的輸出信號緊緊跟隨輸入信號的變化。主要任務是提高跟蹤能力。程序控制系統的特點是輸入信號是事先確定的按一定規律變化的信號，編成程序存儲在輸入裝置中，目的是使被控量按照設定的程序運動。第10頁，共31頁。6.1.3 自動控制系統的分類 （3）按元器件特性分，可分為線性系統和非線性系統。線性系統的元器件其輸入輸出特性均為線性的，系統輸入和輸出之間的關系可以用一個或一組線性微分方程來描述。非線性系統：系統中只要有一個非線性元件即稱為非線性系統。（4）按微分方程系數的時變性劃分定常系統：描述系統特性的微分方程中各項系數都是與時間無關的常數，則稱為定常系統。時變系統：描述系統特性的微分方程

7、中只要有一項系數是時間的函數，就稱為時變系統。第11頁，共31頁。6.1.3 自動控制系統的分類 （5）按信號的連續性分連續系統：系統中所有元件的輸入和輸出信號都是隨時間連續變化的，信號的大小可任意取值的模擬量，稱為連續系統。離散系統：系統中有一處或多處信號是脈沖序列或數碼。（6）按輸入輸出數量分單輸入單輸出系統（單變量系統）：系統的輸入和輸出均為一個。多輸入多輸出系統（多變量系統）：系統的輸入和輸出多于一個。第12頁，共31頁。6.1.3 對自動控制系統的要求及性能評價對自動控制系統的基本要求可以歸結為三個字：穩，準，快。（即穩定性，準確性和快速性）穩：是對自動控制系統的最基本要求。它反映系

8、統在受到擾動后恢復平衡狀態的能力。準：指系統在平衡工作狀態下其輸出量與其希望值的距離，即被控量偏離其希望值的程度，反映了系統對其希望值的跟蹤能力?？欤合到y的瞬態過程既要快速，又要平穩。第13頁，共31頁。6.2.1 計算機仿真與輔助設計的基本概念系統仿真以相似原理、系統技術、信息技術及其應用領域有關專業技術為基礎，以計算機、仿真器和各種專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實的或設想的系統進行動態研究的一門多學科的綜合性技術。仿真的基本思想是利用物理的或數學的模型來類比模仿現實過程，以尋求對真實過程的認識。它所遵循的基本原則是相似性原理；計算機仿真是基于所建立的系統仿真模型，利用計算機對系統

9、進行分析與研究的方法。計算機輔助設計利用計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和處理數據的能力，結合設計者的綜合分析、邏輯判斷及創造性思維，用以加快設計進程、縮短設計周期、提高設計質量的技術。（計算機輔助設計從廣義上來講它包含了計算機仿真的內容，從狹義上說它的主要工作是利用計算機的運算能力來處理設計者手工處理所遇到的不便與繁瑣。）第14頁，共31頁。6.2.2 計算機仿真模型模型是對現實系統有關結構信息和行為的某種形式的描述，是對系統的特征與變化規律的一種定量抽象，是人們認識事物的一種手段或工具。模型可分為：（1）物理模型：指不以人的意志為轉移的客觀存在的實體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶

10、制造中的船舶模型等。 （2）數學模型：是從一定的功能或結構上進行相似，用數學的方法來再現原型的功能或結構特征。 （3）仿真模型：指根據系統的數學模型，用仿真語言轉化為計算機可以實施的模型。第15頁，共31頁。6.2.3 計算機仿真的三要素及基本步驟計算機仿真的三要素為： （1）系統：研究的對象 （2）模型：系統的抽象 （3）計算機：工具與手段仿真實驗，結果分析系統模型計算機建立數學模型建立仿真模型第16頁，共31頁。仿真包括三個基本的內容：建模，仿真實驗和結果分析。具體步驟：（1）建立數學模型控制系統的數學模型是系統仿真的主要依據。系統的數學模型，是描述系統輸入、輸出變量以及內部各變量之間關系

11、的數學表達式。描述系統諸變量問靜態關系的數學表達式，稱為靜態模型，描述自控系統諸變量間動態關系的數學表達式，稱為動態模型。常用的基本的數學模型是微分方程與差分方程。6.2.3 計算機仿真的三要素及基本步驟第17頁，共31頁。6.2.3 計算機仿真的三要素及基本步驟（2）建立仿真模型原始的自控系統的數學模型比如微分方程，并不能用來直接對系統進行仿真。還得將其轉換為能夠對系統進行仿真的模型。對于連續控制系統而言，有像微分方程這樣的原始數學模型，在零初始條件下進行拉普拉斯變換，求得自控系統傳遞函數數學模型。以傳遞函數模型為基礎，等效變換為狀態空間模型，或者將其圖形化為動態結構圖模型，這些模型都是自控

12、系統的仿真模型。對于離散控制系統而言，有像差分方程這樣的原始數學模型以及類似連續系統的各種模型，這些模型都可以對離散系統直接進行仿真。第18頁，共31頁。（3）編制自控系統仿真程序對于非實時系統的仿真，可以用般的高級語言編制仿真程序。對于快速的實時系統的仿真，往往用匯編語言編制仿真程序。當然也可以直接利用仿真語言。如果應用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其SIMULINK仿真集成環境作仿真工具這就是MATLAB仿真?？刂葡到y的MATLAB仿真是控制系統計算機仿真一個特殊軟件工具的子集。 （4）仿真實驗并輸出仿真結果進行仿真實驗，通過實驗對仿真模型與仿真程序進行檢驗和修改，而后按照系統仿真的

13、要求輸出仿真結果。6.2.3 計算機仿真的三要素及基本步驟第19頁，共31頁。6.2.3 計算機仿真的三要素及基本步驟第20頁，共31頁。6.2.4 仿真的分類按模型分類，可分為物理仿真和數學仿真。物理仿真：采用物理模型，有實物介入。具有效果逼真，精度高等優點，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用（如導彈、衛星一類飛行器的動態仿真，發電站綜合調度仿真與培訓系統等），具有實時性、在線的特點；數學仿真：采用數學模型。在計算機上進行，具有非實時性、離線的特點，經濟、快速、實用。 第21頁，共31頁。6.2.4 仿真的分類按計算機類型分類，可分為模擬仿真，數字仿真，混合仿真和現代計算機仿真。模擬

14、仿真：50年代，采用數學模型，在模擬計算機上進行的實驗研究。特點有：描述連續物理系統的動態過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結果可靠的優點，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機控制系統的仿真較困難，自動化程度低；模擬計算機的核心是運算部分，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要部件所構成。第22頁，共31頁。6.2.4 仿真的分類數字仿真：60年代，采用數學模型，在數字計算機上借助于數值計算方法所進行的仿真實驗。其特點是：計算與仿真的精度較高。理論上計算機的字長可以根據精度要求來“隨意”設計，因此其仿真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素影響，其精度也不易定得太

15、高；對計算機控制系統的仿真比較方便。仿真實驗的自動化程度較高，可方便地實現顯示、打印等功能；計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結果的可信度。但隨著計算機技術的發展，“速度問題”會在不同程度上有所改進與提高；數字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設計人員用高級程序語言編寫求解系統模型及結果輸出的程序?；旌戏抡妫航Y合了模擬仿真與數字仿真?，F代計算機仿真：80年代以來，采用先進的微型計算機，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現，其數值計算功能強大，使用方便，易學。第23頁，共31頁。6.2.5 仿真技術的應用及意義1. 仿真技術在不同工程領域中有廣泛的應用 (1) 航空與航天工業飛行器設計中的三級仿

16、真體系：純數學模擬（軟件）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行實驗。飛行員及宇航員訓練用飛行仿真模擬器。 (2) 電力工業電力系統動態模型實驗：電力系統負荷分配、瞬態穩定性以及最優潮流控制等(3) 原子能工業模擬核反應堆核電站仿真器用來訓練操作人員以及研究異常故障的排除處理。(4) 石油、化工及冶金工業(5)非工程領域，如醫學，社會學，宏觀經濟與商業策略的研究。 第24頁，共31頁。6.2.5 仿真技術的應用及意義2. 應用仿真技術的主要意義 (1) 經濟性好大型、復雜系統直接實驗是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實驗的成本約在1億美元左右，而采用仿真實驗僅需其成本的1/101/5，而且設備可

17、以重復使用。(2) 安全性高某些系統（如載人飛行器、核電裝置等），直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統的研究起到保障作用。第25頁，共31頁。(3) 快捷性高提高設計效率：比如電路設計，服裝設計等等。(4) 具有優化設計和預測的特殊功能對一些真實系統進行結構和參數的優化設計是非常困難的，這時仿真可以發揮它特殊的優化設計功能；在非工程系統中（如社會、管理、經濟等系統），由于其規模及復雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這時通過仿真技術的應用可以獲得對系統的某種超前認識。6.2.5 仿真技術的應用及意義第26頁，共31頁。6.2.6 仿真技術的發展趨勢

18、(1) 硬件方面：基于多CPU并行處理技術的全數字仿真將有效提高仿真系統的速度，大大增強數字仿真的實時性。 (2) 應用軟件方面：直接面向用戶的數字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統與智能化技術將更深入地應用于仿真軟件開發之中，使得在人機界面、結果輸出、綜合評判等方面達到更理想的境界。 (3) 分布式數字仿真：充分利用網絡技術，協調合作，投資少，效果好。(4) 虛擬現實技術：綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、顯示技術以及仿真技術等多學科，使人置身于真實環境之中。第27頁，共31頁。6.2.7 計算機仿真軟件仿真軟件的發展： (1) 程序編程階段所有問題（如：微分方程求解、矩陣運算、繪圖等）都是用高級算法語言（如C、FORTRAN等）來編寫。 (2) 程序軟件包階段在這一階段出現了“應用子程序庫”。(3) 交互式語言階段（仿真語言）(4) 模型化圖形組態階段符合設計人員對基于模型圖形化的描述。第28頁，共31頁。常用仿真軟件： (1) PSPICE、ORCAD、PROTEUS：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級仿真。(2) SYSTEM VIEW：系統級的電路動態仿真軟件(3) MATLAB：具有強大的數值計算能力，包含各種工具箱，其