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1、2020/7/4,1,控制系統(tǒng)仿真,主講：霍愛(ài)清,薛定宇著控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第二版，機(jī)械工業(yè)出版社2011年,2020/7/4,2,第1章控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述,2020/7/4,3,本章主要內(nèi)容,控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展綜述控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語(yǔ)言環(huán)境綜述仿真軟件的發(fā)展概況MATLAB/Simulink與CACSD工具箱控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新方法本書(shū)的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,2020/7/4,4,1.1控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展綜述,早期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以由紙筆等工具容易地計(jì)算出來(lái)，如Ziegler與Nichols于1942年提出的PID經(jīng)驗(yàn)公式就可以十分容易地

2、設(shè)計(jì)出來(lái)。隨著控制理論的迅速發(fā)展，光利用紙筆以及計(jì)算器等簡(jiǎn)單的運(yùn)算工具難以達(dá)到預(yù)期的效果，加之在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展，于是很自然地出現(xiàn)了控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。,2020/7/4,5,控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，并一直受到控制界的普遍重視早在1982年12月和1984年12月，控制系統(tǒng)領(lǐng)域在國(guó)際上最權(quán)威的IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)的控制系統(tǒng)雜志(ControlSystemsMagazine)和IEEE學(xué)會(huì)的科研報(bào)告集(ProceedingsofIEEE)分別第一次出版了關(guān)于C

3、ACSD的專刊近三十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類CACSD軟件頻繁出現(xiàn)且種類繁多，MATLAB語(yǔ)言出現(xiàn)以來(lái)，就深受控制領(lǐng)域?qū)W生和研究者的歡迎，已經(jīng)成為控制界最流行、最有影響的通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，成為控制界學(xué)者的首選。,2020/7/4,6,MATLAB作為主要程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的算法，可以使讀者將主要精力集中在控制系統(tǒng)理論和方法上，而不是將主要精力花費(fèi)在沒(méi)有太大價(jià)值的底層重復(fù)性機(jī)械性勞動(dòng)上，這樣可以對(duì)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有較好的整體了解，避免“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”的認(rèn)識(shí)偏差，提高控制器設(shè)計(jì)的效率和可靠性。,2020/7/4,7,跟蹤國(guó)際最先進(jìn)的CACSD軟件環(huán)境

4、及發(fā)展，以當(dāng)前國(guó)際上最流行的CACSD軟件環(huán)境MATLAB為基本出發(fā)點(diǎn)來(lái)系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)及軟件實(shí)現(xiàn)，從而大大提高CACSD算法研究與實(shí)際應(yīng)用的效率和可靠性，這是本課的一個(gè)主要目的。,2020/7/4,8,1.2控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語(yǔ)言環(huán)境綜述,20世紀(jì)70年代：1973年美國(guó)學(xué)者M(jìn)elsa教授和Jones博士出版了一本專著，書(shū)中給出了許多當(dāng)時(shí)流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)的源程序,包括求取系統(tǒng)的根軌跡、頻域響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)、以及各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的子程序如：Luenberger觀測(cè)器、Kalman濾波等。,2020/7/4,9,瑞典Lund工學(xué)院教授主持開(kāi)發(fā)的一套交互式C

5、ACSD軟件INTRAC日本的古田勝久(KatsuhisaFuruta)教授主持開(kāi)發(fā)的DPACS-F軟件等。1980年美國(guó)學(xué)者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB語(yǔ)言逐漸受到了控制界研究者的普遍重視圖形交互式的模型輸入計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境Simulink的出現(xiàn)為MATLAB應(yīng)用的進(jìn)一步推廣起到了積極性的推動(dòng)作用。,2020/7/4,10,國(guó)際上控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展大致分為幾個(gè)階段：軟件包階段、交互式語(yǔ)言階段及當(dāng)前的面向?qū)ο蟮某绦颦h(huán)境階段這些軟件包大都是由FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序組成的，給使用者提供了較好的接口，但和MATLAB相比，調(diào)用方法和使用明顯顯得麻煩、不便。,現(xiàn)

6、在，MATLAB已經(jīng)風(fēng)靡了全世界，成為控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域最普及也是最受歡迎的首選計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。,2020/7/4,11,,20世紀(jì)70年代末期和80年代初期出現(xiàn)了很多實(shí)用的具有良好人機(jī)交互功能的軟件，如：MATLAB、前面提及的INTRAC和CTRL-C等。正因?yàn)榇嬖诙喾N多樣的CACSD軟件，而它們之間又各有所長(zhǎng)，所以在CACSD技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中曾有過(guò)幾次將若干常用軟件集成在一起的嘗試。,此外，以前FORTRAN語(yǔ)言繪圖并不是輕而易舉的事情，這就需要再調(diào)用相應(yīng)的軟件包來(lái)做進(jìn)一步處理。,2020/7/4,12,這些集成出來(lái)的軟件并不是很成功的，因?yàn)樗鼈儾](méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。事實(shí)上，從

7、那以后每個(gè)軟件的功能都有了明顯的改善，MATLAB語(yǔ)言有了自己的仿真功能，Simulink從某種意義上來(lái)講其功能和接口更優(yōu)于ACSL,MATLAB和Mathematica之間也有了較好的接口，它們的優(yōu)勢(shì)可以得到充分地互補(bǔ)。,2020/7/4,13,我國(guó)較有影響的控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成果是中科院系統(tǒng)科學(xué)研究所韓京清研究員等主持的國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的CADCSC軟件清華大學(xué)孫增圻、袁曾任教授的著作和程序北京化工大學(xué)吳重光、沈成林教授的著作和程序,2020/7/4,14,1.3仿真軟件的發(fā)展概況,仿真技術(shù)引起該領(lǐng)域各國(guó)學(xué)者、專家們的重視，建立起國(guó)際的仿真委員會(huì)(Simulation

8、CouncilsInc.，Sci)，該公司于1967年通過(guò)了仿真語(yǔ)言規(guī)范。仿真語(yǔ)言CSMP(computersimulationmodellingprogram)應(yīng)該屬于建立在該標(biāo)準(zhǔn)上的最早的專用仿真語(yǔ)言。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在1988年推出了該語(yǔ)言的推廣版本CSMP-C。,2020/7/4,15,系統(tǒng)仿真領(lǐng)域有很多自己的特性，如果能選擇一種能反映當(dāng)今系統(tǒng)仿真領(lǐng)域最高水平，也是最實(shí)用的軟件或語(yǔ)言介紹仿真技術(shù)，使得讀者能直接采用該語(yǔ)言解決自己的問(wèn)題，將是很有意義的。實(shí)踐證明，MATLAB就是這樣的仿真軟件，由于它本身卓越的功能，已經(jīng)使得它成為自動(dòng)控制、航空航天、汽車設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域仿真的首選語(yǔ)言

9、。本課中將介紹基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用,2020/7/4,16,其他常用的仿真工具軟件,ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)1美國(guó)MDI/MSC公司250市場(chǎng)份額3運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)/機(jī)電一體化4網(wǎng)址：,2020/7/4,17,PSPICE（模擬電路CAD軟件）1電子電路仿真軟件2ORCAD公司的商業(yè)化EDA軟件3直流/交流電路、瞬態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)字模擬混合電路、電路繪圖仿真一體化4網(wǎng)址：,其他常用的仿真工具軟件,2020/7/4,18,SABER（電氣、模擬、混合信號(hào)仿真軟件）1圖形化界面

10、2穩(wěn)態(tài)、時(shí)域、頻域、可靠性3應(yīng)用于電源、電力電子、電氣、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)4網(wǎng)址：www.jialing-,其他常用的仿真工具軟件,2020/7/4,19,ANSYS（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)運(yùn)用有限元分析軟件）1求解“熱結(jié)構(gòu)耦合”、“磁結(jié)構(gòu)耦合”以及“電磁流體熱耦合”等問(wèn)題2多種物理介質(zhì)相互作用下的“動(dòng)態(tài)性能”3梯度顯示、立體切片顯示、圖表/曲線顯示4網(wǎng)址：,其他常用的仿真工具軟件,2020/7/4,20,1.4MATLAB/Simulink與CACSD工具箱,早期的MATLAB的功能十分簡(jiǎn)單，當(dāng)它作為免費(fèi)軟件出現(xiàn)以來(lái)，還是吸引了大批的使用者。CleveMoler和JohnLittle等人于1

11、984年成立了一個(gè)名為T(mén)heMathWorks的公司TheMathWorks公司于1992年推出了具有劃時(shí)代意義的MATLAB4.0版本。,2020/7/4,21,MATLAB目前已經(jīng)成為控制界國(guó)際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具。此外，控制界很多學(xué)者將自己擅長(zhǎng)的CAD方法用MATLAB加以實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了大量的MATLAB配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、魯棒控制工具箱、多變量頻域設(shè)計(jì)工具箱、分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號(hào)處理工具箱、以及仿真環(huán)境

12、Simulink。,2020/7/4,22,早期的CACSD研究側(cè)重于對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析上，開(kāi)始時(shí)人們利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能把系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線繪制出來(lái)，并根據(jù)頻率響應(yīng)的曲線及自己的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)用試湊的方法設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，然后利用仿真的方法去觀察設(shè)計(jì)的效果。,1.5控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新方法,2020/7/4,23,除了經(jīng)典的多變量頻域方法之外，還出現(xiàn)了一些基于最優(yōu)化技術(shù)的控制方法，其中比較著名的是英國(guó)學(xué)者JohnEdmunds提出的多變量參數(shù)最優(yōu)化控制方法和英國(guó)學(xué)者Zakian提出的不等式控制方法等。與此同時(shí)，美國(guó)學(xué)者似乎更習(xí)慣于狀態(tài)空間的表示與設(shè)計(jì)方法。此方法往往又稱為時(shí)

13、域方法(time-domain)，首先在線性二次型指標(biāo)下引入了最優(yōu)控制的概念，并在用戶的干預(yù)下(如人工選擇加權(quán)矩陣)得出某種最優(yōu)控制的效果，這樣的控制又往往需要引入狀態(tài)反饋或狀態(tài)觀測(cè)器新的控制概念。,2020/7/4,24,從控制系統(tǒng)的魯棒性角度也出現(xiàn)了各種各樣的控制方法，如各種最優(yōu)控制的方案.隨著控制器的階次越來(lái)越高，還出現(xiàn)了很多的控制器降階方法來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的控制器。線性矩陣不等式(linearmatrixinequalities)及分析與綜合等控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也在控制界有較大的影響，而這些方法不通過(guò)計(jì)算機(jī)這樣的現(xiàn)代化工具是不能完成的。,2020/7/4,25,分?jǐn)?shù)階控制領(lǐng)域也出現(xiàn)了很多新的

14、研究成果，是控制理論的一個(gè)較新的研究領(lǐng)域。教授和合作者對(duì)傳統(tǒng)的，也是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的PID控制器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了自整定PID控制器更加切合于過(guò)程控制的實(shí)際應(yīng)用。,2020/7/4,26,國(guó)際上出版了關(guān)于MATLAB及CACSD的專著和教材，但它們大都是MATLAB的入門(mén)教材，并沒(méi)有真正深入、系統(tǒng)地探討CACSD技術(shù)及MATLAB實(shí)現(xiàn)，將MATLAB的強(qiáng)大功能與控制領(lǐng)域成果有機(jī)結(jié)合是本書(shū)力圖解決的主要問(wèn)題。,2020/7/4,27,第1章CACSD概述第2章MATLAB編程語(yǔ)言,1.6本書(shū)的基本結(jié)構(gòu)和內(nèi)容,2020/7/4,28,第3章MATLAB環(huán)境中控制系統(tǒng)模型與轉(zhuǎn)換第4章線性控制系統(tǒng)的

15、計(jì)算機(jī)輔助分析第5章Simulink應(yīng)用第6章經(jīng)典的控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),2020/7/4,29,第7章PID控制器與最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)第8章控制工程中的仿真技術(shù)應(yīng)用,2020/7/4,30,1.7學(xué)習(xí)本課程的目的和方法,學(xué)習(xí)本課程的目的1、了解仿真技術(shù)概況2、夯實(shí)所涉及的基本概念、理論與方法3、掌握仿真技術(shù)這一利器，并要認(rèn)識(shí)到“與時(shí)俱進(jìn)”4、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)/研究的能力,2020/7/4,31,1、注重基礎(chǔ)（概念/原理）孟子曰：“始條理者，智之事也；終條理者，圣之事也。”,學(xué)習(xí)本課程的方法,1.7學(xué)習(xí)本課程的目的和方法,2020/7/4,32,2、積極應(yīng)用（CAD工具）孔子曰：“工欲善其事，必先

16、利其器”,學(xué)習(xí)本課程的方法,1.7學(xué)習(xí)本課程的目的和方法,2020/7/4,33,3、努力實(shí)踐（實(shí)踐出真知/創(chuàng)新源于自主實(shí)踐）whatIhearIforgetwhatIseeIrememberwhatIdoIunderstand,學(xué)習(xí)本課程的方法,1.7學(xué)習(xí)本課程的目的和方法,2020/7/4,34,學(xué)習(xí)本課程的要求,1積極思考/上機(jī)實(shí)踐2完成“課程報(bào)告”關(guān)于選題：必選和自選關(guān)于報(bào)告的撰寫(xiě)：格式要求/科技論文3關(guān)于“自主學(xué)習(xí)能力”大學(xué)本科生的基本能力,1.7學(xué)習(xí)本課程的目的和方法,2020/7/4,35,本課程的互聯(lián)網(wǎng)資源,TheMathWorks公司官方網(wǎng)站產(chǎn)品與全套工具箱手冊(cè)下載第三方工具

17、箱下載產(chǎn)品在中國(guó)獨(dú)家代理(北京九州恒潤(rùn)公司),2020/7/4,36,MATLAB大觀園本書(shū)及相關(guān)內(nèi)容資源http://www.matlab-MATLAB與應(yīng)用論壇(薛定宇維護(hù))博士家園論壇網(wǎng)站(各類數(shù)學(xué)問(wèn)題)一些高校的bbs清華大學(xué)、哈工大、上海交大、西安交大等,2020/7/4,37,1.8仿真技術(shù)應(yīng)用,仿真技術(shù)的應(yīng)用,控制系統(tǒng)CAD機(jī)械系統(tǒng)CAD,2020/7/4,38,控制系統(tǒng)CAD,固有特性分析,,,,1.8仿真技術(shù)應(yīng)用,2020/7/4,39,控制系統(tǒng)CAD,閉環(huán)控制性能分析,1.8仿真技術(shù)應(yīng)用,2020/7/4,40,控制系統(tǒng)CAD,閉環(huán)控制性能分析,1.8仿真技術(shù)應(yīng)用,2020

18、/7/4,41,控制系統(tǒng)CAD,球棒系統(tǒng),1.8仿真技術(shù)應(yīng)用,2020/7/4,42,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）虛擬樣機(jī)：,,2020/7/4,43,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）,感知設(shè)備：,,2020/7/4,44,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）,表現(xiàn)裝置：,,2020/7/4,45,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）,三大特征：,,2020/7/4,46,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬樣機(jī)：,虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)虛擬制造虛擬環(huán)境,2020/7/4,47,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬樣機(jī)：,虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù),2020/7/4,48,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬樣機(jī)：,虛擬制造,2020/7/4,49,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬樣機(jī)：,虛擬環(huán)境,2020/7/4,50,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬環(huán)境,2020/7/4,51,仿真技術(shù)的應(yīng)用,虛擬樣機(jī),2020/7/4,52,仿真技術(shù)的應(yīng)用,工程應(yīng)用：,1車輛肇事仿真2飛行器設(shè)計(jì)3聯(lián)合仿真4軍事工程,,,2020/7/4,53,仿真技術(shù)的應(yīng)用,工程應(yīng)用：,,1車輛肇事仿真,2020/7/4,54,仿真技術(shù)的應(yīng)用,工程應(yīng)用：,2飛行器設(shè)計(jì),,2020/7/4,55,仿真技術(shù)的應(yīng)用,工程應(yīng)用：,3聯(lián)合仿真,,2020/7/4,56,仿真技術(shù)的應(yīng)用,工程應(yīng)用：,4軍事工程,,