自动控制及其仿真概述(2)

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8.1.3 自动控制系统的分类
（5）按信号的连续性分 ? 连续系统：系统中所有元件的输入和输出信号都是随时间连续变化的，信号的大小可任意取值的模拟量，称为连续系统。
? 离散系统：系统中有一处或多处信号是脉冲序列或数码。
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8.1.3 自动控制系统的分类
（6）按输入输出数量分 ? 单输入单输出系统（单变量系统）：系统的输入和输出均为一个。
? 多输入多输出系统（多变量系统）：系统的输入和输出多于一个。

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8.1.4 对自动控制系统的要求及性能评价
对自动控制系统的基本要求可以归结为三个字：稳，准，快。（即稳定性，准确性和快速性）
? 稳：是对自动控制系统的最基本要求。它反映系统在受到扰动后恢复平衡状态的能力。 ? 准：指系统

在平衡工作状态下其输出量与其希望值的距离，即被控量偏离其希望值的程度，反映了系统对其希望值的跟踪能力。 ? 快：系统的瞬态过程既要快速，又要平稳。
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8.2 计算机仿真和辅助设计概述

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本节主要内容
8.2.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念 8.2.2 计算机仿真模型 8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤（内容） 8.2.4 仿真的分类 8.2.5 仿真技术的应用及其意义简介 8.2.6 仿真技术的发展趋势 8.2.7 计算机仿真软件 8.2.8 相关网络资源
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8.2.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念
? 系统仿真以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。

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8.2.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念
? 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。）
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8.2.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念
仿真与计算机仿真：
? 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。
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8.2.2 计算机仿真模型
? 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。模型可分为：

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8.2.2 计算机仿真模型
（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。（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。
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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
1. 计算机仿真的三要素为：（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

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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤

系统

建立数学模型

仿真实验，结果分析

模型
建立仿真模型

计算机

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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
2. 基本步骤由图8.4可知，仿真包括三个基本的内容：建模，仿真实验和结果分析。具体可用流程图（计算机仿真程序流程）表示，如图 8.5。主要可以分成以下几步：（1）建立数学模型 ? 控制系统的数学模型是系统仿真的主要依据。
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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
? 系统的数学模型，是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。描述系统诸变量问静态关系的数学表达式，称为静态模型，描述自控系统诸变量间动态关系的数学表达式，称为动态模型。常用员基本的数学模型是微分方程与差分方程。

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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
（2）建立仿真模型 ? 原始的自控系统的数学模型比如微分方程，并不能用来直接对系统进行仿真。还得将其转换为能够对系统进行仿真的模型。对于连续控制系统而言，有像微分方程这样的原始数学模型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得自控系统传递函数数学模型。以传递函数模型为基础，等效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结构图模型，这些模型都是自控系统的仿真模型。
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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
? 对于离散控制系统而言，有像差分方程这样的原始数学模型以及类似连续系统的各种模型，这些模型都可以对离散系统直接进行仿真。
（3）编制自控系统仿真程序

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8.

2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
? 对于非实时系统的仿真，可以用—般的高级语言编制仿真程序。对于快速的实时系统的仿真，往往用汇编语言编制仿真程序。当然也可以直接利用仿真语言。
? 如果应用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其 SIMULINK冰仿真集成环境作仿真工具这就是 MATLAB仿真。控制系统的MATLAB仿真是控制系统计算机仿真一个特殊软件工具的子集。
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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
（4）仿真实验并输出仿真结果
? 进行仿真实验，通过实验对仿真模型与仿真程序进行检验和修改，而后按照系统仿真的要求输出仿真结果。

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8.2.3 计算机仿真的三要素及基本步骤
问题的阐述设置目标建立模型编程序否验证正确与否是确认是仿真实验设计运行分析
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否

8.2.4 仿真的分类
按模型分类，可分为物理仿真和数学仿真。
? 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； ? 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。
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8.2.4 仿真的分类
按计算机类型分类，可分为模拟仿真，数字仿真，混合仿真和现代计算机仿真。
? 模拟仿真：50年代，采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。特点有：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。
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8.2.4 仿真的分类
? 数字仿真：60年代，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。其特点是：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；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 MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社， 2009.8. 序。在线交流，有问必答

8.2.4 仿真的分类
? 混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。
? 现代计算机仿真：80年代以来，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。