控制系统设计与仿真1素材.ppt

ADAMS §1-3 控制系统计算机仿真 一、控制系统的计算机辅助设计 （CSCAD-Control System Computer Aided Design） 早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如 Ziegler 与 Nichols 于1942年提出的 PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。 随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计 方法。 控制系统CAD技术是对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程是设计－实验－修改设计－再实验的过程。 控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。 早在1982年12 月和1984 年12 月，控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(Control Systems Magazine)和IEEE学会的科研报告集(Proceedings of IEEE)分别第一次出版了关于控制系统CAD的专刊 近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类控制系统CAD 软件频繁出现且种类繁多，MATLAB 语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。 二、控制系统计算机仿真 所谓控制系统的计算机仿真就是以控制系统的数学模型为基础，借助计算机对控制系统的动态特性进行实验研究。 控制系统的计算机仿真是控制系统的计算机辅助设计的一个部分。这一过程包括： 建立数学模型； 根据性能指标和控制算法编程求解控制器参数； 对系统校正前后进行仿真，并验证控制器的实际控制效果； 修改控制器参数或结构，直到仿真结果满足设计要求 MATLAB 作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅助设计的算法，可以使研究者将主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解，避免“只见树木，不见森林”的认识偏差，提高控制器设计的效率和可靠性。 子曰:“工欲善其事，必先利其器”。跟踪国际最先进的 控制系统CAD软件环境及发展，以当前国际上最流行的控制系统CAD软件环境MATLAB为基本出发点来系统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实现，从而大大提高控制系统CAD算法研究与实际应用的效率和可靠性，这是本课程的一个主要目的。 小结： 1．系统、模型与仿真 2．仿真、计算机仿真（数学仿真）、数字计算机仿真 3．仿真、实际系统、解析法三者的比较 下表列出了利用实际系统或利用解析方法和利用仿真技术的比较 仿真技术 实际系统 解析方法 可能性 只要能建立系统模型就能进行 系统尚未建立，则不可能；有的自然系统实验周期太长，也不可能 有的系统无法建立解析模型，因此不可能利用解析方法 安全性 无危险 有危险（人身、设备） 无危险 经济性 花费不多 费用很大 花费不多 耗时性 中等 长 短 准确性 可以做到准确 十分准确 要做较多假设，因此有较大误差 方便性 可以做到 十分方便 受现场限制，很不方便 方便 可见，仿真技术在可能性、安全性、准确性、方便性方面具有明显优点，在经济性、耗时性方面不如解析方法。 因此: 在可能采用解析法并允许有一定误差时宜采用解析方法； 在要求十分准确或建模有一定困难时宜采用实际系统； 其他情况应尽量采用系统仿真技术。 Virtual Reality（虚拟现实）是人工构造的，存在于计算机内部的环境。用户应该能够以自然的方式与这个环境交互（包括感知环境并干预环境），从而产生置身于相应的真实环境中的虚幻感，沉浸感，身临其境的感觉。　　虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统包括人类操作者、人机接口和计算机。 虚拟现实的概念 虚拟现实系统应用最多的专用设备是头盔式立体显示器和数据手套。于是，有人以使用这些专用设备为虚拟现实系统的标志。这种观点是不准确的。上述的虚拟现实的概念，是在计算机应用和人机交互方面开创的全新的学科领域。这个新领域的发展，还有很多困难，有很多技术难点有待解决。 当前，这一领域还只是走出了第