第一章控制系統及仿真概括控制系統的計算機仿真是一門波及到控制理論、計算數學與計算機技術的綜合性新式學科。這門學科的產生及發展差不多是與計算機的發明及發展同步進行的。它包含控制系統剖析、綜合、設計、查驗等多方面的計算機辦理。計算機仿真鑒于計算機的高速而精準的運算，以實現各樣功能。第一節控制系統仿真的基本觀點1．系統：系統是物質世界中互相限制又互相聯系著的、以期實現某種目的的一個運動整體，這個整體叫做系統。“系統”是一個很大的觀點，往常研究的系統有工程系統和非工程系統。工程系統有：電力拖動自動控制系統、機械系統、水力、冶金、化工、熱力學系統等。非工程系統：宇宙、自然界、人類社會、經濟系統、交通系統、管理系統、生態系統、人口系統等。2．模型：模型是對所要研究的系統在某些特定方面的抽象。經過模型對原型系統進行研究，將擁有更深刻、更集中的特色。模型分為物理模型和數學模型兩種。數學模型可分為機理模型、統計模型與混淆模型。3．系統仿真：系統仿真，就是經過對系統模型的實驗，研究一個存在的或設計中的系統。更多的狀況是指以系統數學模型為基礎，以計算機為工具對系統進行實驗研究的一種方法。要對系統進行研究，第一要成立系統的數學模型。關于一個簡單的數學模型，能夠采納剖析法或數學分析法進行研究，但關于復雜的系統，則需要借助于仿真的方法來研究。那么，什么是系統仿真呢？顧名思義，系統仿真就是模擬真切的事物，也就是用一個模型（包含物理模型和數學模型）來模擬真切的系統，對其進行實驗研究。用物理模型來進行仿真一般稱為物理仿真，它主假如應用幾何相像及環境條件相像來進行。而由數學模型在計算機長進行實驗研究的仿真一般則稱為數字仿真。我們這里講的是后一種仿真。數字仿真是指把系統的數學模型轉變為仿真模型，并編成程序在計算機上投入運轉、實驗的全過程。往常把在計算機長進行的仿真切驗稱為數字仿真，又稱計算機仿真。1計算機仿真包含三個基本因素：系統、模型與計算機。它們之間的關系以下：系統數學模型成立仿真切驗模型計算機仿真模型成立數學模型成立：其實是一個模型辯識的過程。所建模型經常是忽視了一些次要因素的簡化模型。仿真模型成立：即是設計一種算法，以使系統模型能被計算機接受并能在計算機上運轉。明顯，因為在算法設計上存在著偏差，所以仿真模型關于實質系統將是一個二次簡化模型。仿真切驗：即是對模型的運算。需要設計一個合理的、服務于系統研究的仿真軟件。系統仿真技術實質上就是成立仿真模型并進行仿真切驗的技術。4．系統仿真的基本過程：（1）成立系統的數學模型；（2）變換成仿真模型；（3）編寫仿真程序；4）對仿真模型進行改正校驗，看與實質系統能否一致，確認模型的正確性；5）運轉仿真程序，在不同的初始條件和參數下，對系統進行頻頻剖析和研究。第二節系統仿真的目的和分類一．系統仿真的目的及其作用：1．優化設計：在復雜系統成立從前能夠展望系統性能和參數，使設計的控制系統達到最優指標。2．經濟性：直接在實物上實驗成本昂貴。如發射人造衛星等。3．安全性：某些系統假如直接實驗常常是很危險的，也是不同意的。如核電站。4．展望性：關于經濟、社會、生物等非工程系統，直接實驗幾乎是不行能的，仿真可展望系統的特征和外作用的影響，進而研究控制的策略。2二、分類：系統仿真依據所研究對象的模型特色、要求與目標等不同，可分為以下幾大類：按系統的模型特色分：（1）連續系統仿真：當系統的數學模型是由微分方程（或差分方程）描繪時，該系統的仿真過程稱連續系統仿真。仿真方法主假如微分方程的數值求解方法。（2）失散事件系統仿真：當系統的數學模型是由隨機事件、隨機函數來描繪時，該系統仿真的過程一般稱為失散事件系統仿真。其仿真方法主要成立在概率論的基礎之上。（3）混淆系統仿真：當系統的數學模型是由上述兩類模型混淆構成時，稱為混淆系統仿真。其仿真方法是將上述兩類方法綜合于一體。（4）系統動力學仿真：當對象的數學模型是用系統動力學方程式來描繪時，該系統的仿真稱為系統動力學仿真。它實質上應歸屬于連續系統仿真，但因它的模型成立方法自成系統，所以常將它獨自區分。按計算機種類分：1）模擬計算機仿真：模擬仿真是鑒于數學模型相像原理的一種方法。模擬計算機由一些基本的模擬運算零件構成，這些運算零件有：積分器、加法器、系數器、函數發生器、乘法器等。模擬計算機是并行運算的，運算速度快，但精度不高，因為它能夠實現傳達函數為1/s的積分運算，能夠方便地求解微分方程。以飛機自動駕駛系統為例，系統框圖以下：d陀螺控制驅動控制面機體0給定航向實質航向其數學模型能夠表示為：（方塊圖形式）d

baK0ss(sa)-3該系統的開環傳達函數：Gk(s)(K)(b)(a)(1)ssas括號中的每一項都能夠用模擬運算零件來構成，系統構造圖以下：+ˉKb∫a∫1∫比較器a放大器積分器函數器積分器-1放大器上述系一致般是不穩固的，為改良質量，還需加入校訂環節，這在模型上是很簡單實現的。從上邊的例題能夠看出模擬機仿真是一種相像仿真技術。2）數字計算機仿真：數字計算機仿真是鑒于數值計算原理的仿真，它的主要工具是：數字計算機和相應的數字仿真軟件。應用數字計算機仿真的首要步驟是一定把數學模型失散化，因為數字計算機自己就是一個失散系統。連續系統數學模型失散化的方法好多，如：歐拉法、龍格庫塔法、阿達姆斯法以及狀態轉移法等。不同的方法，仿真模型的形式和精度不同樣，若步長選擇不妥時，還會致使系統不穩固。3）模擬-數字計算機混淆仿真：是將前兩種方式相聯合的一種方法。由模擬計算機、數字計算機以及用于信息變換及傳輸的中間界面所構成。以下列圖：界面模擬機A/D數字控制計算機D/A模擬-數字計算機混淆仿真系統比較復雜，主要用于：1）當系統仿真的精度和響應速度在兩種計算機中的任何一種難以達到時，可采納模擬-數字計算機混淆仿真。42）若所研究系統自己就是包含連續系統又包含失散系統時，則采納該方式十分方便。第三節系統仿真軟件的發展系統仿真軟件是一類面向仿真用途的計算機應用軟件，其功能一般是：源語言的規范與辦理；仿真的履行控制；數據的剖析與顯示；模型、程序、數據、圖形的儲存與檢索。系統仿真技術是從50年月計算機出生開始的。近三十年來，跟著計算機技術的飛快發展，出現了很多優異的計算機應用軟件，還有專用的仿真語言。軟件的發展大概可分為下邊幾個階段：一、軟件包階段：一般由Basic語言或Fortran語言編成某類仿真的軟件包。仿真的初期工作集中在軟件包的編寫上。但用軟件包的形式來編寫程序，使用很不方便，如：調用過程煩雜，履行過程過多，不利于數據傳達，且維數指定困難。二、交互式語言階段：60年月---70年月出現了一些專用的仿真語言，如CSSL（ContinuousSystemsSimulationLanguage）連續系統仿真語言，GPSS（GeneralPurposeSystemsSimulation）失散事件系統仿真語言以及ACSL（高級連續仿真語言）等。固然有了人機交互，但應用起來仍不是十分方便，一定有嚴格的格式，不然會出現意想不到的錯誤。三、面向對象的程序環境階段：70年月末，80年月初出現了好多適用的擁有優異人機交互功能的軟件，MATLAB就是一個成功的典范。該軟件的一個明顯的特色就是使用方便、集成度高，由簡單的幾條命令，就能夠實現從前FORTRAN類語言的成千上萬條語句的功能，且結果穩固靠譜。MATLAB是集靠譜的數值運算、圖像與圖形辦理，高水平的圖形界面設計，以及各樣適用工具箱于一身，還供給了與C語言、FORTRAN語言等的接口，成為目前國際上最流行的仿真軟件。在從前的仿真教材中，大多數都采納Basic語言或Fortran語言，少量有用C語言的，但都是介紹的最低層的計算機仿真程序設計的方法和技巧，難以使學生對整個仿真方法有一個全面的認識。那種編程方式在效率上是相當低的，目前國際上流行的M