计算机仿真技术——MATLAB在电气、自动化专业中的应用教学课件ppt作者隋涛50352计算机仿真技术PPT课件.ppt

第1章 计算机仿真技术 主要内容 系统与系统模型 仿真及计算机仿真三要素 连续系统仿真概论 计算机仿真软件 1.1 系统与系统模型 1.1.1 系统的概念 在生活、工作等各个方面，我们都离不开系统这样一个话题，它是人们认识世界改造世界的过程中对某个事物、某个事件进行分析研究及改造的一个载体。作为计算机仿真技术的载体和研究对象，系统是计算机仿真技术中不可或缺的部分，只有确定好系统的内涵和外延才能够对科学研究及工程设计的各个方面进行回归综合、协同、集成等方面的工作，而对于研究对象的本身，由于各个专业、各个层次的研究目标不同，对于系统的定义往往千差万别，作为一般的定义系统可以定义为：相互关联又相互作用着的对象的有机组合，该有机组合能够完成某项任务或实现某个预定的目标。 从以上定义可以看出作为科学研究及工程设计的系统主要有以下三个要素组成： （1）对象 （2） 属性 （3）活动 以上这些就构成了系统的三个要素，系统可以完成某项任务或实现某个预定的目标，达到研究和设计的目的。 例如控制某个加热的锅炉水温达到100℃。 图1-1 加热炉温控系统框图 系统的定义及分类千差万别，如果从工程应用的角度出发，我们可以将系统分为工程系统、非工程系统和综合系统。 1.1.2系统研究的方法 随着科学研究和社会发展，人类在认识世界、改造世界的过程中逐渐走向深入，科学技术发展所面临的复杂程度日益加深，类似于阿基米德的金冠故事的科学发现已经不是科学研究和工程设计的主流的方式。人们在进行科学研究和工程设计已经形成了一些行之有效的方法，通过这些方法我们可以对所要研究或设计的系统进行分析、综合与设计。这些方法归纳起来主要有理论解析法、直接实验法与仿真实验法三种方法。 1.理论解析法 所谓理论解析法，就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析、计算。它是在进行理论学习的一个必然应用的方法，其通过理论的学习掌握有关的系统的客观规律，通过理论分析推导来对系统进行研究。 图1-2 单容水箱液位控制系统 如图1-2所示的单容水箱液位控制系统，通过体积和液位的平衡关系,可以得到其数学模型。 (1.1) 然后可以通过局部线性化得到如下所示的单容水箱液位的传递函数模型 (1.2) 2.直接实验法 这种方法是我们古人常常采用的方法，譬如伽利略的自由落体实验。作为实验法往往是在系统本身上进行实验。实验者利用各种仪器仪表与装置，对系统施加一定类型的激励信号，利用系统的特性输出来进行系统动静态特性的研究。例如我们可以通过给电动机突然加上供电电压，来测量电机的阶跃特性。这种方法具有简明、直观与真实，针对性强，在一些小型系统系统分析与测试中经常采用。整体具有系统简单，经济消耗小等特点。 但是，这种方法采用实际系统进行实验，其费用较高，系统构成复杂、不确定因素太多，并且其有些系统由于实现性、安全性等原因不允许进行直接的实验研究。应用的空间、时间受限较多。 3.仿真实验法 仿真实验法就是在模型上（物理的或数学的）所进行的系统性能分析与研究的实验方法，它所遵循的基本原则是相似原理。系统模型按照模型的形式可以分为物理模型和数学模型，还可以是两者的结合。 例如我们可以用包括欧姆定律、比例环节和惯性环节等来得到相关的控制规律，即系统的数学模型来进行研究。也可以对要设计的系统进行一定比例的缩放得到缩小或放大的物理模型或者具有一定特性替代的模型来进行间接地替代。也可以像计算机控制系统系统在线调试或火电站模型的模拟运行等数学和物理模型同时存在的混合系统。在物理模型上所做的仿真实验研究具有效果逼真、精度高等优点，由于相对费用较高，且一致性有时难以保证等问题。而随着计算机技术和数学理论的飞速发展，人们越来越重视利用数学模型或非实物软件模型来对系统进行研究和设计。这样一类模型的研究实际上是利用了性能相似的原则来进行的，在一定的程度可以替代实际系统来进行“仿真”，是可信的。当然，采用何种的手段与方法建立高精度的数学模型并能够在计算机上可靠的计算、运行是这种方法成功与否的关键。 对于模型的实验应该说是在进行系统研究中的主要手段，选择在模型上进行实验的原因主要有以下原因： （1）系统尚未设计出来 （2）某些实验