第一章 计算机辅助设计与仿真技术概述26146.pptVIP

计算机仿真技术 —控制系统仿真 电气工程系 孙妙平 二0一0年九月 通过本课程的学习，使学生初步掌握当前 流行的演算式MATLAB语言的基本知识， 结合所学课程《自动控制原理》，学会运 用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助 设计的基本技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。 课程任务 学时安排与考试形式总学时：32（其中上机学时8）考查方式：实验+考试 第一章 计算机仿真和辅助设计概述（1）第二章 MATLAB语言基础（5）第三章 控制系统的数学描述与建模（4）第四章 控制系统的分析方法（4）第五章 SIMULINK仿真基础（6） 教学内容 参考书目 《Matlab语言与控制系统仿真》，北京工业大学出版社，2006，孙亮 《控制系统数字仿真与CAD》，机械工业大学出版社，2005年，张晓华 《控制系统仿真与计算机辅助设计》，机械工业出版社，2006年，薛定宇 CH1、计算机仿真和辅助设计概述 第一节 计算机仿真和辅助设计的基本概念 一、系统分析和设计的方法（系统的概念） 二、计算机辅助设计与仿真的概念 1、计算机辅助设计的概念 计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。 说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。 2、计算机仿真的概念 仿真的定义 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。 计算机仿真的定义 计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。 1、模型的定义 模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。 2、模型的分类 （1）物理模型 指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。 （2）数学模型 是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。 三、计算机仿真模型 （3）仿真模型 指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。 四、计算机仿真的三要素及基本步骤（内容）1、三要素 （1）系统：研究的对象 （2）模型：系统的抽象 （3）计算机：工具与手段  2、基本步骤 包括三个基本的内容：建模 仿真实验 结果分析 第二节 仿真的分类 一、按模型分类 1、物理仿真：采用物理模型，有实物介入！ 具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长，大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具有实时性、在线的特点。 2、数学仿真：采用数学模型 在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。 二、按计算机类型分类 1、模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。50年代 描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较困难，自动化程度低。 模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的“模拟运算放大器”为主要部件所构成。 2、数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代 计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时间等因素影响，其精度也不易定得太高。 对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能。 计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”会在不同程度上有所改进与提高。 数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。 3、混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。 4、现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。80年代以来 第三节 仿真技术的应用与发展 一、仿真技术在工程中的应用 1、航空与航天工业 飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟