控制系统计算机辅助设计和仿真(简.ppt

教材 1、韩璞，自动控制系统数字仿真，中国电力出版社，1996 韩璞，控制系统数字仿真技术，中国电力出版社，2007 2、薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，机械工业出版社，2005 一、本课程的特点及要求 本课程是一门综合应用课程。 二、主要内容 计算机辅助建模 计算机仿真 控制系统计算机辅助分析 控制系统计算机辅助设计 动态模型： 用来描述系统在过渡过程中各种变量随时间变化的关系。 当系统从一个稳定状态变化到另一稳定状态时，哪些参数会发生变化，其变化的速度及历程如何，这些都属于动态模型要研究的问题。 例如，当燃料量变化时，机组原来的平衡状态就会受到破坏，电功率等参数都将发生变化，经过一段时间运行，机组又将达到新的平衡状态。这个动态过程中电功率的变化规律需要用动态模型描述。 3. 火电厂热工过程建模与仿真 物理原型——概念模型（分析、类比得到） ——数学模型（假设，采用物理定律得到） ——仿真模型（采用一定的数值计算方法） ——数字模型（程序代码、通过编程得到） ——实用模型（多次的模型分析、检验、修 正） ——模型应用（通过模型研究物理系统的特性） 建模与仿真需要明确的问题： 明确建模目的 模型的输入、输出 模型的描述形式 建模对象机理及特性分析 编程语言的选择 模型的验证方法：静态工况、动态过程 机理法建模：实例4、椅子着地问题：4条腿长度相等的椅子，放在起伏不平的地面上，4条腿是否能同时着地？ 假定地面为连续平面，则转动椅 子在90’内，总能找到一点使四 条腿同时着地。 让椅子原地旋转，x为旋转角度。 设f(x)为A、C两腿距地面距离 之和，g(x)为B、D两腿距地面距 离之和。 第二章、动态过程数学模型描述方法 1. 高阶微分方程 2. 响应函数： 单位脉冲响应，单位单位阶跃响应， 方波响应 3. 传递函数 4. 脉冲传递函数（差分方程） 5. 状态方程描述 本章复习题 4. 求以下控制系统状态方程描述，输入为u,输出为y,假定初值为0. 第三章：数字仿真算法-数值积分法 例：弹性阻尼系统数值计算 一、数值积分法仿真算法 1. 数值积分仿真算法原理 3. 仿真算法精度分析： 精度与稳定性 5. 其它仿真算法 （2） 阿达姆斯法 （3）隐式欧拉公式 若取 F*=F(k+1) , 得： 隐式欧拉公式的优点： 二、仿真程序设计 C语言仿真程序设计 仿真时间ST和仿真步距DT的选取 1. ST：根据经验估计完成动态过程所需要的时间，由此确定仿真时间；若对该过程没有足够认识，可先任取一个仿真时间，例如，取ST=100 S，然后根据曲线的形状确定ST是否需要调整。 2. DT：先取一个较小的数值，保证算法不发散，待ST确定之后，一般取DT=ST/100～ST/1000即可。 程序设计中需要注意的问题 1. 变量、数组的定义 ，例如y(1000) 状态变量的初值：X1= 0; X2= 0; 梯形公式程序 隐式欧拉公式程序 上机作业： 三、MATLAB仿真程序设计 Matlab语言概述 水箱水位仿真研究 DT仿真研究-显式欧拉公式 隐式欧拉公式仿真曲线 多容水箱系统 二、 质量守恒应用之二：流体网络压力节点模型 三、 能量守恒应用之一：绝热蒸汽管道模型 1. 基于温度的集总参数模型 2. 基于焓值的集总参数模型 四. 能量守恒应用之二：单项介质换热器模型 输入：Ws, hs1, Ps, Wg, Tg1 系数：Kg1, Kg2, Ks1, Ks2, Mg ,Cpg, Mm ,Cm, Ms输出：hs2, Ts2, Tg2, Tm 五、 质量守恒-能量守恒同时应用：混合联箱模型 第四章、离散相似法 例1：对如下系统进行仿真 注意： 处理方法 二、保持器的概念 小结： 离散相似法程序设计 三、Z变换法 脉冲传递函数的求取： 四、 数字控制系统的数字仿真 数字控制器与常规PID对比 2、数字控制器系统仿真 第五章、 控制系统参数优化 二、目标函数 三、 目标函数计算 四、单变量函数寻优 1、区间消去法寻优 黄金分割法 黄金分割法程序 2、曲线近似法 在寻优区间[a,b]内取3点, x1x2 x3得到函数值q1,q2,q3. 若这三点满足q1q2,q3q2,则利用这三点得到一条二次曲线。求二次曲线的极值，得到极值点x1*,q1*. 在这四点中去掉函数值较大者，利用余下的三点构造新的曲线。如此不断寻优。 五、多变量函数寻优 2. 单纯型法 单纯型法寻优过程 需要解决的问题： 多变量寻优示例程序 第六章 MATLAB在计算机辅助设计中的应用 二