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1、返回总目录,第1章绪 论,控制系统仿真中的名词术语,控制系统仿真基本概念,仿真技术的发展概括及应用,习题,本章内容,系统,控制系统,控制系统模型,控制系统建模,控制系统仿真中的名词术语,控制系统仿真,系统的概念,控制系统仿真中的名词术语,不同的领域对于系统的含义有不同的解释。在控制工程中，系统的定义为：由相互联系、相互作用的物体所形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。,一系统,控制系统仿真中的名词术语,例如：一个大型钢铁联合企业可以看作是一个系统，它由相互联系和相互作用的采矿、选矿、炼铁、炼钢、轧钢等工厂有机的组合在一起。又如：一个工厂管理系统，它可由生产管理部门、原材料仓库、生产加工车间、
2、销售服务部门等组成，各部门是相互联系和相互作用的。诸如此类的还有温度控制系统、速度调节系统、交通管理系统、民航订票系统、生态监控系统等。,控制系统仿真中的名词术语,一般来说，构成一个系统应具备以下三大要素。(1)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。如图1.1所示的温度控制系统，它就是由比较器、调节器、加热炉、温度传感器等装置组合而成的；(2)属性。组成系统的每个实体都具备一定的特征，即系统的属性。例如图1.1温度控制系统中的温度、偏差值、干扰量、燃料量等就是实体的属性；(3)活动。作为系统三大要素之一的是系统内部发生的变化过程，称之为活动。在温度控制系统中，以调节
3、电压或燃料的输入量作为主要的活动。,控制系统仿真中的名词术语,温度控制系统,二.控制系统,控制系统仿真中的名词术语,在工业生产过程中，为了实现特定的控制目标，控制系统具有两种不同的工作方式，即手动控制和自动控制。按照手动控制方式工作的控制系统称为手动控制系统，按照自动控制方式工作的控制系统称为自动控制系统。,控制系统仿真中的名词术语,手动控制系统：需要在人的直接参与下才能使被控对象(生产设备或装置)按照预先确定的理想规律运动，以达到控制目标的要求。在手动控制系统中，操作者需要频繁地调整对被控对象的控制作用，才能保证控制目标的实现，因此操作人员的劳动强度很大，而且常常出现控制作用不够及时、不够准
4、确的现象，系统的控制精度较低，从而影响产品质量。,控制系统仿真中的名词术语,自动控制系统：不需要人的直接参与，通过控制装置代替人的控制作用，使被控对象按照预先确定的理想规律运动，以达到控制目标的要求。自动控制系统可以将操作人员从繁杂的工作中解脱出来，大大降低了劳动强度，改善了工作环境，而且控制作用及时、准确，可使控制系统达到较高的控制精度，大大提高生产效率和产品质量。因此实现生产过程的自动化是促进生产力高速发展的重要手段。,控制系统仿真中的名词术语,三.控制系统模型,控制系统模型是对控制系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们用来认识事物的一种手段，一般有以下几种模型。,(1)物理模型：根据
5、相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成的模型，其状态变量与原系统完全相同。例如，飞行器的研制，船舶设计制造。,(2)数学模型：用数学方程(或信号流图、结构图)来描述系统性能的模型。数学模型又分静态模型和动态模型。,控制系统仿真中的名词术语,如果其变量不含时间因素则为静态模型，如果与时间有关，则为动态模型，数学模型的分类可用表1-1表示。表1-1 数学模型的分类表,控制系统仿真中的名词术语,四.控制系统建模,控制系统建模就是以一定的理论为依据，把系统的行为概括为数学的函数关系。其包括以下内容：(1)确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统 的实体、属性与活动。(2)测取有关的模型数据。(3
6、)运用适当理论建立系统的数学描述。(4)检验所建立的数学模型的准确性。,控制系统仿真中的名词术语,五.控制系统仿真,控制系统仿真研究的对象是控制系统，而系统特性的表征主要采用与之相应的系统数学模型，将其放到计算机上进行相应的处理，就构成完整的系统仿真过程。,因此，将实际系统、数学模型、计算机称为系统仿真的三要素。它们之间的关系如图1.2所示。由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模问题；将数学模型转换为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。,控制系统仿真中的名词术语,系统：研究的对象；模型：系统的
7、抽象；仿真：对模型的实验；系统建模：系统辨识技术范畴；仿真建模：即针对不同形式的系统模型研究其求解算法；仿真实验：仿真程序的检验及将仿真结果与实际系统的行为进行比较。,控制系统仿真的基本概念,一.仿真的定义,通常为了研究、分析与设计系统，需要对某些系统进行试验。试验的方案有两种，一种是直接在真实系统上进行，另一种则是按真实系统的“样子”构造一个模型，在模型上进行。通常由于以下原因而不采用在真实系统上做试验的方案。,控制系统仿真的基本概念,(1)系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，因此不可能在真实系统上进行试验。(2)在真实系统上做试验会破坏系统的运行，例如在一个化工系统中随意改变一下系统参
8、数，可能导致整个一炉成品报废；又如在经济活动中，随意把一个决策付之行动，可能会引起经济混乱。(3)如果人是系统的一部分时，由于知道自己是试验的一部分，其行动往往会和平时不一样，因此会影响试验的效果。(4)在实际系统上做多次试验时，很难保证每一次的操作条件都相同，因而无法对试验结果的优劣作出正确的判断与评价。(5)试验时间太长或费用太大或者有危险。(6)无法复原，例如：改建一个加热炉，想要检查一下改建的加热炉的效率与质量，不能先改建起来试试看，因为一改建就不可能再回到原来的状态上去了。,控制系统仿真的基本概念,二.控制系统仿真的分类,1.按仿真模型的种类划分,(1)物理仿真。按照实际系统的物理性
9、质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究，称之为物理仿真。,物理仿真的出发点是依据相似原理，把实际系统按比例放大或缩小制成物理模型，其状态变量与原系统完全相同。这种仿真多用于土木建筑、水利工程、船舶、飞机制造等方面。例如，船舶制造，风洞实验，火力发电厂的动态模拟，操纵控制人员的岗前培训。物理仿真的优点是直观、形象，其缺点是构造相应系统的物理模型投资较大，周期较长，不经济。另外，一旦系统成型后，难以根据需要修改系统的结构，仿真实验环境受到一定的限制。,控制系统仿真的基本概念,(2)数学仿真。按照实际系统的数学关系构造系统的数学模型，并在计算机上进行实验研究，称之为数学仿真。数学仿真是应用
10、性能相似原理，构造系统的数学模型在计算机上进行实验研究的过程。,数学仿真的模型采用数学表达式来描述系统性能，若模型中的变量不含时间关系，称为静态模型；若模型中的变量包含有时间因素在内则称为动态模型。数学模型是系统仿真的基础，也是系统仿真中首先要解决的问题。由于采用计算机作为实验工具，通常也将数学仿真称为计算机仿真或数字仿真。,控制系统仿真的基本概念,(3)数学-物理仿真。将系统的物理模型和数学模型以及部分实物有机地组合在一起进行实验研究，称之为数学-物理仿真，也称为半实物仿真。这种方法结合了物理仿真和数学仿真各自的特点，常常被用于特定的场合及环境中。例如汽车发动机试验、家电产品的研制开发、雷达
11、天线的跟踪、火炮射击瞄准系统等都可采用半实物仿真。,控制系统仿真的基本概念,2.按系统随时间变化的状态分类,连续系统仿真。系统的输入输出信号均为时间的连续函数，可用一组数学表达式来描述，例如采用微分方程、状态方程等。(2)离散事件系统仿真。系统的状态变化只是在离散时刻发生，且由某种随机事件驱动，称之为离散事件系统。例如通信系统、交通控制系统、库存管理系统、飞机订票系统、单服务台排队系统等。此类系统规模庞大，结构复杂，一般很难用数学模型描述，多采用流程图或网络图表达。在分析上则采用概率及数理统计理论、随机过程理论来处理，其结果送到计算机上进行仿真。,控制系统仿真的基本概念,三.控制系统仿真的过程
12、,控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用数学模型代替实际的系统，以计算机为主要工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。通常，采用计算机来实现控制系统仿真的过程有以下几个方面。1根据仿真目的确定仿真方案根据仿真目的确定相应的仿真结构和方法，规定仿真的边界条件与约束条件。2建立控制系统的数学模型系统的数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。描述控制系统各变量间静态关系采用静态模型；描述控制系统各变量间动态关系采用动态模型。最常用的基本数学模型是微分方程与差分方程。,控制系统仿真的基本概念,通常，根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学基本定律
13、，例如牛顿运动定律、基尔霍夫定律、动力学定律、焦耳-楞次定律等来列写变量间的数学表达式以建立系统的数学模型，这就是所谓用解析法来建立数学模型。对于大多数复杂的控制系统，则必须通过实验的方法，利用系统辨识技术，考虑计算所要求的精度，略去一些次要因素，使模型既能准确地反映系统的动态本质，又能简化分析计算的工作，这就是所谓用实验法建立数学模型。控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。,控制系统仿真的基本概念,3建立控制系统的仿真模型原始控制系统的数学模型，如微分方程、差分方程等，还不能用来直接对系统进行仿真，应该将其转换为能够在计算机中对系统进行仿真的模型。对于连续系统而言，将微分方程这样的原始数学
14、模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得控制系统的传递函数，以传递函数模型为基础，将其等效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结构图模型，这些模型都是系统的仿真模型。对于离散系统而言，将差分方程经z变换转换为计算机可以处理的数字控制器模型即可。4编制控制系统的仿真程序对于非实时系统的仿真，可以用一般的高级语言，例如Basic、Fortran或C语言等编制系统的仿真程序；对于快速、实时系统的仿真，往往采用汇编语言编制仿真程序。当然，也可以直接利用专门的仿真语言和仿真软件包。目前，采用MATLAB仿真也比较普遍。利用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其Simulink仿真集成环境作仿真工具
15、，来研究和分析控制系统是非常方便的。,控制系统仿真的基本概念,5在计算机上进行仿真实验并输出仿真结果首先，将编制好的仿真程序输入到计算机中，并给定仿真的初始参数；然后进行仿真实验并对仿真模型与仿真程序作相应的检验和修改，再按照系统仿真的要求将得到的系统仿真最终结果通过相应设备以数据、曲线、图形等方式输出；最后，进行仿真总结，提交系统仿真的报告。,控制系统仿真的过程如图所示,控制系统仿真过程示意图,控制系统仿真的基本概念,控制系统仿真的基本概念,【例1.1】飞机跟踪问题，如图.4所示。(1)问题描述。设有一架飞机追踪一敌机，为保证在射程内能进行攻击，所以飞机在跟踪时，需不断改变方向以保持机头始终
16、指向目标。设两机离10km以下时，飞机可以攻击，但是限定必须在12min之内完成追踪任务，否则就认为追踪失败。假设：两机始终航行在同一水平面。敌机航线已知，(XB(t)，YB(t)。飞机等速飞行，VF20km/min。每分钟改变一次航向，在1min内保持不变。飞机初始位置，YF(0)50，XF(0)0。问，飞机应按什么航线飞行？何时完成追踪任务?(2)建立数学模型。飞机位置,控制系统仿真的基本概念,两机位置,式中为任一t时刻两机间连线与水平线倾角。,控制系统仿真的基本概念,(3)仿真框图及程序。需要1min计算一次飞机的位置和两机之间的距离，判断是否已在12min内达到追踪距离以内，如图所示。
17、仿真程序可用任何一种语言实现。,(4)仿真结果。T10min，D2.9869km。,仿真程序框图,仿真技术的发展概括和应用,一.仿真技术的发展概括,仿真技术是采用现代计算机技术来模拟展示特定环境的一项高科技技术。它根据现实世界的实际特点来建立数据模型，采用计算机，并与实物操作相结合，使得人们不用到达真实的特定环境就能获得真实环境的感受。仿真的发展过程从大的方面分为硬件和软件技术的发展。,仿真技术的发展概括和应用,1.硬件发展计算机仿真技术的发展，就硬件而言，大致经历了以下几个阶段。20世纪40年代出现了模拟计算机，这时的计算机大都是用来设计飞机的专用计算机。50年代初，出现了通用的模拟计算机。
18、50年代末，数字计算机有了很大发展，加上这一时期在微分方程数值解的理论方面又有很大的发展，所以在几种高级语言(如FORTRAN，ALGOL等)出现以后，在50年代末期，数字计算机便在非实时仿真方面开始得到广泛的应用。1958年为满足高速动态系统仿真的要求，出现了第一台专用的模拟数字混合计算机，它是用来解决导弹轨迹的计算问题。60年代初期，出现了混合计算机商品。近年以来，由于计算机技术的飞速发展，数字计算机已有可能解决高速动态系统的实时仿真问题，所以模拟数字混合计算机将被数字计算机所取代。,仿真技术的发展概括和应用,2.软件发展仿真研究的许多活动都是通过仿真软件来实现的，仿真软件是一类面向仿真用
19、途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。近40年来，仿真软件充分吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形/图像、多媒体、软件工程、自动控制、人工智能等技术所取得的新成果，从而得到了很大的发展。自1955年第一个仿真软件问世以来，按照新技术出现的时间顺序，可将仿真软件的发展分为六个阶段，即通用程序设计语言、仿真程序包及初级仿真语言、完善的商品化的高级仿真语言、一体化(局部智能化)建模与仿真环境、智能化建模与仿真环境以及支持分布交互仿真的综合仿真环境。,仿真技术的发展概括和应用,1)通用程序设计语言1960年左右的FORTRAN，以及具有适应并行处理功能的Ada，C+等语言。2)初级仿真语言阶段1
20、9601970年间面向框图的MIDAS；面向大型连续系统的仿真规范的CSSL(Continuous System Simulation Language)；CSMP(Continuous System Modeling Program)；基于差分方程模型的DYNAMO(Dynamic Models)；基于离散事件的SIMLIB和CSL(Control and Simulation Language)；还有以过程为基础的通用仿真系统GPSS(General purpose Simulation System)等。,仿真技术的发展概括和应用,3)高级仿真语言阶段19701980年间商用的连续系统仿
21、真语言SSLIV，DAREP，ACSL，以及离散事件系统仿真语言GPSSIV，SIMCRIP和SLAM等。4)一体化建模与仿真环境软件如美国Pritsket于1989年推出的TESS，它是具有数据库，而且能将数据存储与检索，脚本仿真,数据采集，数据分析报告和图形生成，脚本动画，网络模型输入，运行控制，数据管理等八个部分组成一体化仿真软件环境。5)智能化仿真软件环境它于20世纪80年代后期问世，由一体化仿真软件环境，专家系统，智能接口等组成，并具有知识库、模型库、方法库、实验程序库和数据库，该软件充分利用了FORTRAN，C，Ada，LISP等语言的优良特性。,仿真技术的发展概括和应用,二.仿真
22、技术的应用,计算机仿真已广泛地应用于各个领域，主要归纳为以下两个方面。1.控制系统的分析、设计与试验仿真技术在冶金、化工、电力等工程系统中的应用非常广泛，是对控制系统进行研究、设计不可缺少的一项重要技术，可以体现在以下几个方面：(1)论证系统设计立题方案的正确性、可行性，避免不必要的挫折及浪费，为实体设计打下良好的基础。(2)用于创建新的控制系统，研制新的调节器及仪表等。(3)对已设计好的系统进行考核，验证设计效果，分析系统的工作状态，寻求系统性能改进的途径。(4)用仿真技术对控制系统进行最优设计与最优控制，选择最佳运行参数。(5)对已有的老系统进行分析、调整，改进及发展系统的潜力。,仿真技术
23、的发展概括和应用,2.训练与教育建立在仿真技术基础上的各种仿真器可用来训练操纵人员，体现在以下几方面。(1)运行仿真器。可用于训练民航、空军的机型试飞、太空宇航员的飞行，即可节省投资，又避免了危险的发生，保证了训练人员的安全。(2)船舶操纵仿真系统。可用于船舶驾驶、潜艇驾驶等人员的训练。(3)电站、电力网、化工厂等操纵控制人员的仿真系统。可用于模拟实际系统的运行状况，设置各种可能产生的故障点，进行检测与故障排除的训练。(4)军事指挥仿真系统。可用来模拟实战环境，如地形、天气、敌我双方的兵力、武器装置等，以训练军事指挥员，实现现代战争中的陆海空协调作战的能力。(5)非工程领域的仿真应用。例如用于
24、医学领域中的人体疾病成因分析，人体对药物反应的研究，新药品的研制等：又如用于市场经济导向、通信网分布、交通管理、中期天气预报、生态环境的模拟仿真等。,仿真技术的发展概括和应用,三.仿真技术的发展趋势,由于仿真理论、方法的提高，仿真试验任务的扩大以及相关学科的发展，展望仿真技术今后的发展趋势，主要有以下几方向：1向广阔的时空发展以现代复杂军事系统为例，它涉及：战略、战术、技术决策系统，指挥、通信、运输系统，外层空间内层空间、武器和运载系统，地面与空间各军兵种、我友协同作战系统与作战环境等。这种激烈对抗军事系统，对时空一致、任务协同、实时性、实用性等都要求很高，因而在这类复杂仿真系统中有很多复杂、
25、艰巨的技术问题亟待解决。2向快速、高效与海量信息通道发展对大型复杂系统、分布系统、综合系统进行实时仿真，由于信息量宠大，须对信息进行快速、高效传输、变换和处理。以多微处理机为基础的全数字并行仿真计算机系统将会有更多的发展。,仿真技术的发展概括和应用,3向规范化模型校核、验证、确认技术发展模型建立了，如果没有规范化模型校核、验证，确认来检验，评价模型的正确性和置信度，仿真的精度和可靠性是无法保证的。目前它已引起仿真界的高度重视。4向虚拟现实技术发展虚拟现实是将真实环境、模型化物理环境、用户融为一体，为用户提供视觉、听觉、嗅觉和触觉感官以逼真感觉信息的仿真系统，使人感到如同身临其境的仿真环境中。5
26、向高水平的一体化、智能化仿真环境发展开展系统仿真科学研究，开发仿真系统技术，需要一体化、智能化仿真环境。这样有效的工具，这方面的差距还较大。由于微型机的大量推广和应用，将会发展适合这类机型的仿真软件。6向广阔的应用领域扩展与其他有关的学科融合由于仿真的对象越来越广阔和复杂，也就是应用领域越广泛，相关的学科就越多，而且日趋密切。特别是在非工程或混合工程系统中，仿真技术的应用将会迅速增长。,习题,1-1 什么是系统？构成系统的三要素是什么？1-2 图示系统、模型和计算机三者的关系是什么？1-3 什么是物理仿真？什么是数字仿真？两者有何不同？1-4 控制系统仿真的步骤有哪些？1-5 简述仿真技术的应用。,
