第一章 系统仿真的基本概念与方法.docVIP

控制系统及仿真概述 控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。 控制系统仿真的基本概念 1．系统： 系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。 “系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。 工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。 非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。 2．模型： 模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。 模型分为物理模型和数学模型两种。数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。 3．系统仿真： 系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。 要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。 那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。我们这里讲的是后一种仿真。 数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。 计算机仿真包括三个基本要素：系统、模型与计算机。它们之间的关系如下： 系统 数学模型建立 仿真实验 模型 计算机 仿真模型建立 数学模型建立：实际上是一个模型辩识的过程。 所建模型常常是忽略了一些次要因素的简化模型。 仿真模型建立：即是设计一种算法，以使系统模型能被计算机接受并能在计算机上运行。 显然，由于在算法设计上存在着误差，所以仿真模型对于实际系统将是一个二次简化模型。 仿真实验：即是对模型的运算。需要设计一个合理的、服务于系统研究的仿真软件。 系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。 4．系统仿真的基本过程： （1）建立系统的数学模型； （2）转换成仿真模型； （3）编写仿真程序； （4）对仿真模型进行修改校验，看与实际系统是否一致，确认模型的正确性；（5）运行仿真程序，在不同的初始条件和参数下，对系统进行反复分析和研究。 第二节 系统仿真的目的和分类 一．系统仿真的目的及其作用： 优化设计：在复杂系统建立之前能够预测系统性能和参数，使设计的控制系统达到最优指标。 经济性：直接在实物上实验成本昂贵。如发射人造卫星等。 安全性：某些系统如果直接实验往往是很危险的，也是不允许的。如核电站。 预测性：对于经济、社会、生物等非工程系统，直接实验几乎是不可能的，仿真可预测系统的特性和外作用的影响，从而研究控制的策略。 二、分类： 系统仿真根据所研究对象的模型特征、要求与目标等不同，可分为以下几大类： 1.按系统的模型特征分： （1）连续系统仿真： 当系统的数学模型是由微分方程（或差分方程）描述时，该系统的仿真过程称连续系统仿真。 仿真方法主要是微分方程的数值求解方法。 （2）离散事件系统仿真： 当系统的数学模型是由随机事件、随机函数来描述时，该系统仿真的过程一般称为离散事件系统仿真。 其仿真方法主要建立在概率论的基础之上。 （3）混合系统仿真： 当系统的数学模型是由上述两类模型混合构成时，称为混合系统仿真。 其仿真方法是将上述两类方法综合于一体。 （4）系统动力学仿真： 当对象的数学模型是用系统动力学方程式来描述时，该系统的仿真称为系统动力学仿真。 它实际上应归属于连续系统仿真，但因它的模型建立方法自成体系，因此常将它单独划分。 2.按计算机类型分： （1）模拟计算机仿真： 模拟仿真是基于数学模型相似原理的一种方法。 模拟计算机由一些基本的模拟运算部件组成，这些运算部件有：积分器、加法器、系数器、函数发生器、乘法器等。 模拟计算机是并行运算的，运算速度快，但精度不高，由于它可以实现传递函数为1/s的积分运算，可以方便地求解微分方程。