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控制系统CAD——基于MATLAB语言教学课件 ppt 作者张晋格第1章概述

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1、第1章概述,1.1 控制系统CAD的发展概况,控制系统CAD作为CAD技术在自动控制系统分析与设计方面应用的分支。至今已有近40年的发展历史。,发展历程,第1章概述,软件包,交互式语言,面向对象的程序环境,20世纪5060年代,通过手工计算和一些图表进行控制系统的初步设计；对于复杂系统，采用模拟计算机仿真的办法作为系统设计的辅助工具。,模拟计算机在精度、柔性及价格上上无法与数字计算机比拟,第1章概述,不足,20世纪70年代,出现控制系统计算机辅助设计的各种软件包,美国学者Melsa和Jones在1973年出版了有关控制系统计算机辅助分析和设计的专著，其中包括根轨迹法、频率响应、时域响应以及各种设计中常用的子程序，如Kalman滤波、Luenbeger观测器,瑞典学者K.J.Astrom主持开发了交互式SIMNON控制系统CAD软件INTRAC和仿真程序,日本学者古田胜九主持开发的DPACSF软件,还有基于特征值的软件包EISPACK和线性代数软件包LINPACK等,第1章概述,由于使用FORTRAN语言编写的源程序，对于绘图是很困难，还存在编程困难、调用过程繁琐、执行程序过多、不利于

2、数据传送,不足,第1章概述,20世纪80年代,美国Mathwork公司推出了Cleve Moler等人开发的交互式MATLAB软件系统,提供了丰富的矩阵处理功能，使用简单，很快受到控制界研究者的普遍重视，还陆续开发了与之配套的各种工具箱,第1章概述,1.2 系统、模型与仿真,1.2.1. 系统,所谓系统是相互联系有相互作用着的对象的组合。,根据系统的物理特征，通常可以将其分成两大类,工程系统：如电气、机械、化工、热工等,第1章概述,非工程系统：如经济、管理、生态、社会等,两类系统的物理本质截然不同，但它们有共同的特征,第1章概述,任何系统都是由一些实体组合而成的，每个实体都有各自的属性，整个系统有它的主要活动。因此，实体、属性、活动构成了组成系统的三大要素。据此不难看出，任何系统都有整体性、相关性和隶属性。,整体性是指系统中各部分不可随意分割，是有机的整体,第1章概述,自动控制系统通常指工程系统，分类方法有多种,以时间为依据，可将系统分为,连续系统,离散系统,第1章概述,1.2.2.模型,为了分析与设计控制系统，需要对这些系统进行试验，通常有,第1章概述,在真实系统上进行,按着真实系统

3、的“样子”构造一个模型，称之为系统模型,人们通常更多地将试验在系统模型上进行，其理由,系统还处于设计阶段，真实系统还没有建立起来，不可能在真实系统上做试验,试验时间太长，或造价太高，有风险,试验后无法复原，如有些改造项目，不能先改建，因为一旦改建后就无法回到原来状态，甚至有可能毁掉原有设备,第1章概述,模型按其性质可分,物理模型按照真实系统的物理性质构造的模型,主要采用数学模型,第1章概述,1.2.3.仿真,系统模型建立后，在模型上进行试验的过程称为系统仿真,根据模型的种类不同，系统仿真可以分成,第1章概述,数学仿真,物理仿真,数学-物理仿真,物理仿真特征：形象、直观。但是构造物理模型投资大、周期长、修改结构较难，因此试验往往会受到一定的限制。物理仿真又称为实物仿真,数学仿真特征：经济、方便、灵活，一般采用数字计算机进行仿真，因此又称为计算机仿真或数字仿真,数学-物理仿真特征：将系统一部分建立数学模型，并用计算机仿真实现；另一部分用物理模型，然后将它们连接成系统进行试验。,主要采用以数字模型为基础的数字仿真,第1章概述,系统、模型、仿真三者之间的关系十分密切,系统是我们研究的对象，

4、模型是系统特性的一种表述，仿真包括：仿真模型的建立和仿真试验,第1章概述,长期以来,仿真研究的重点一直集中在仿真模型的建立(二次模型化)这一活动上，即设计一种计算机算法，以便使系统模型为计算机所接受，然后再选择适当语言编制成计算机程序并在计算机上运行。于是产生了各种仿真算法和仿真软件。,由于对系统模型建立（一次模型化）和仿真结果分析研究较少，因此当一个问题提出后，往往需要较长的建模时间。,第1章概述,仿真结果分析经常要依靠专家，缺乏直接的指导，从而影响了仿真结果的可信度和真实性，这在一定程度上阻碍了仿真技术的发展,近年来，仿真领域普遍重视了建模和仿真结果分析，提出结构化仿真，一体化仿真支撑系统等概念，并取得了不少研究成果。,目前，仿真技术正朝着高速、实时、网络化、智能化的方向发展，对于科技进步和产业革命有着不可估量的影响和作用,第1章概述,1.3 控制理论与控制系统CAD,以MATLAB的控制系统CAD为主要工具，按照控制理论的内容体系，将两者相结合，依次讨论了有关控制系统的模型建立、分析设计与仿真问题,自动控制理论主要是研究反馈控制系统的分析和设计问题。为了完成这一任务，首先必须了解系统的数学模型,第1章概述,控制系统模型建立之后，就是系统的分析和设计问题，控制理论通常提供了两种分析和设计方法：,对于控制系统，其数学模型的表达形式主要有传递函数、状态方程、零极点模型、动态结构图等,第1章概述,频域法,时域法（状态空间法）,本教材介绍了控制系统CAD的有关基础内容：包括MATLAB的语言基础，控制系统工具箱以及仿真工具S imulink的使用方法等,借助MATLAB，可以轻而易举进行控制系统的模型建立和模型之间的转换，利用工具箱函数，可以顺利地完成控制系统的分析和设计,第1章概述,同时也为现代控制理论的应用和实践开辟了广阔的前景，使原来人们认为难以实现的设计方法成为可能。又促进了控制理论的进一步发展,控制系统CAD与控制理论之间的关系并不是简单地使用计算机代替人工计算和绘图，而是通过设计者与CAD之间的交互作用，从本质上增强设计人员的想象力和创造力，有效地提高了设计人员的能力和设计水平。,第1章概述,

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