MATLAB語言(yǔyán)與控制系統仿真華中科技大學電氣(diànqì)與電子工程學院應用電子工程系康勇李勛二00一年十一月精品資料通過本課程的學習，使學生初步掌握當前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，結合所學課程《自動控制原理》，學會運用MATLAB語言進行控制系統仿真和輔助設計的基本技能，為今后從事科學研究打下(dǎxià)較好的基礎。課程(kèchéng)任務精品資料學時安排與考試(kǎoshì)形式

總學時：32（其中上機學時12）

考試(kǎoshì)方式：上機操作第一章計算機仿真和輔助設計概述（1）

第二章MATLAB語言基礎（5）

第三章控制系統的數學(shùxué)描述與建模（4）

第四章控制系統的分析方法（4）

第五章SIMULINK仿真基礎（6）教學內容精品資料參考書目《MATLAB語言與自動控制系統設計》機械工業出版社，1997年，魏克新《控制系統數字仿真與CAD》機械工業大學出版社，1999年，張曉華《反饋控制系統設計與分析——MATLAB語言應用》清華大學出版社，2000年，薛定宇《基于(jīyú)MATLAB的系統分析與設計——控制系統》，西安電子科技大學出版社，1999年，樓順天《MATLAB5.X應用與技巧》，科學出版社，1999年，蒙以正《MATLAB5.X入門與應用》，科學出版社，1999年，柳承茂《MATLAB電子仿真與應用》，國防工業出版社，2001年，韓竹利精品資料CH1、計算機仿真(fǎnɡzhēn)和輔助設計概述第一節 計算機仿真和輔助設計的基本概念一、初識控制系統計算機仿真和輔助設計例exp1_1.m例exp1_2.m/exp1_3.m/exm1_2.mdl二、計算機輔助設計與仿真的概念1、計算機輔助設計的概念計算機輔助設計（CAD）技術(jìshù)是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(jìshù)。精品資料說明：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(gōngzuò)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。2、計算機仿真的概念仿真的定義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。計算機仿真的定義計算機仿真是基于所建立的系統仿真模型，利用計算機對系統進行分析與研究的方法。精品資料1、模型的定義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(dìngliàng)抽象，是人們認識事物的一種手段或工具。2、模型的分類（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。三、計算機仿真(fǎnɡzhēn)模型精品資料（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。四、計算機仿真的三要素及基本步驟（內容）

1、三要素（1）系統：研究(yánjiū)的對象（2）模型：系統的抽象（3）計算機：工具與手段

精品資料2、基本步驟包括(bāokuò)三個基本的內容：建模 仿真實驗結果分析精品資料第二節 仿真(fǎnɡzhēn)的分類一、按模型分類1、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(péixùn)系統等），具有實時性、在線的特點。2、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。精品資料二、按計算機類型(lèixíng)分類1、模擬仿真：采用數學模型，在模擬計算機上進行的實驗研究(yánjiū)。50年代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。2、數字仿真：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。60年代精品資料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(yīdìng)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。精品資料3、混合仿真：結合了模擬仿真與數字仿真。4、現代計算機仿真：采用(cǎiyòng)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。80年代以來精品資料第三節 仿真技術的應用(yìngyòng)與發展一、仿真技術在工程中的應用1、航空與航天工業飛行(fēixíng)器設計中的三級仿真體系：純數學模擬（軟件）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行(fēixíng)實驗。飛行(fēixíng)員及宇航員訓練用飛行(fēixíng)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。電站操作人員培訓模擬系統。精品資料3、原子能工業模擬核反應堆核電站仿真器用來(yònɡlái)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、非工程領域醫學社會學宏觀經濟與商業策略的研究精品資料二、應用(yìngyòng)仿真技術的意義1、經濟大型、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1/10~1/5，而且(érqiě)設備可以重復使用。2、安全某些系統（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。精品資料3、快捷提高設計效率：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(yìngyòng)可以獲得對系統的某種超前認識。精品資料三、仿真技術的發展趨勢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(bùduàn)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。精品資料第四節 計算機仿真(fǎnɡzhēn)軟件一、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(suànfǎyǔyán)（如C、FORTRAN等）來編寫。2、程序軟件包階段出現了“應用子程序庫”。3、交互式語言階段（仿真語言）仿真語言可用一條指令實現某種功能，如“系統特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實現等低級問題。精品資料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。二、幾種仿真軟件1、PSPICE、ORCAD：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級仿真。2、SYSTEMVIEW：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，其程序不能脫離MATLAB環境而運行，所以(suǒyǐ)嚴格講，MATLAB不是一種計算機語言，而是一種高級的科學分析與計算軟件。4、SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態的動態仿真環境。精品資料本章(běnzhānɡ)小結仿真是對系統進行研究(yánjiū)的一種實驗方