控制系统计算机仿真课件.pptVIP

CH1、计算机仿真和辅助设计概述 1.1 计算机应用与工程问题 自十九世纪以来工业革命至今，持续了二百年的科技进展，使世人的生活水准大为提高。在我们即将迈入二十一世纪的此时，回顾近年来的重大工程成就，影响世界深远的为数不少，而依据美国国家工程学院在1989年，所选出的25年的十大重大工程成就有： 微处理机 ；登陆月球 ；人造卫星的应用 ；电脑辅助设计及制造；大型越洋客机；先进复合材料 ；电脑断层扫描 ；基因工程 ；激光 ；光纤 由于我们所面对的工程问题越来越复杂，过去所依赖分析的技术已逐渐不敷使用。利用电脑来分析及解决工程问题，已是当今工程师的必要工具。如何善用电脑应用软件来帮助分析工程问题，将是各位同学往后所要学习的重点，也是这门课的目的。 1.2 工程问题的解决方式 解题五部曲 简要的叙述问题 描述输入/输出的资讯 利用简易数据将问题以手或计算器先行演算 撰写MATLAB程序 以多组数据测试MATLAB解——计算机仿真与辅助设计 1.3 计算机仿真和辅助设计的基本概念 一、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 建模 仿真实验 结果分析 仿 真 的 一 般 步 骤： 建模与形式化：确定模型的边界，模型进行形式化处理 仿真建模：选择合适的算法（稳定性、计算精度、速度） 程序设计：将仿真模型用计算机能执行的程序来描述（包 括仿真实验的要求、运行参数、控制参数、输出要求） 模型校验：程序调试，检验所选仿真算法的合理 ★检验模型计算的正确性 仿真运行：对模型进行实验 仿真结果分析：对系统性能作出评价，模型可信性检验 ★只有可信的模型才能作为仿真的基础 1.4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 数字仿真的优点是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。 数字仿真对计算机控制系统的仿真较方便。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