matlab軟件課件

1、基于Matlab語言控制系統(tǒng)仿真,主講：李靜18971269365,機電與自動化學院自動化教研室,課程任務,通過本課程的學習，使學生初步掌握當前流行的MATLAB語言的基本知識，結合所學課程《自動控制原理》，學會運用MATLAB語言進行控制系統(tǒng)仿真和輔助設計的基本技能，為今后從事專業(yè)相關方面的工作和研究打下較好的基礎。,學時安排與考試形式總學時：32（其中上機學時18）考試方式：上機操作+考試,第1章 計算機輔助設計和仿

2、真技術概述第2章 MATLAB簡介第3章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第4章 控制系統(tǒng)的分析方法（simulink簡介）,教學內容,教材及參考書目,教材： 《控制系統(tǒng)CAD---基于MATLAB語言》 機械工業(yè)出版社，2010年，張晉格，陳麗蘭《反饋控制系統(tǒng)設計與分析—— MATLAB語言應用》清華大學出版社，2000年，薛定宇《基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計——控制系統(tǒng)》，西安電子科技大學出版社，200

3、9年，樓順天《控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真》 國防工業(yè)出版社，2010年，黃忠霖,第1章 計算機輔助設計和仿真技術概述,1.1 計算機仿真和輔助設計的基本概念1.1.1計算機輔助設計與仿真的概念1）計算機輔助設計的概念計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是利用計算機高速而精確的計算能力、大容量存儲和處理數(shù)據(jù)的能力，結合設計者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設計進程、縮短設計周期、

4、提高設計質量的技術。,說明：計算機輔助設計從廣義上來講它包含了計算機仿真的內容，從狹義上說它的主要工作是利用計算機的運算能力來處理設計者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2）計算機仿真的概念仿真的定義仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機仿真的定義計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進行分析與研究的方法。,1）模型的定義

5、 模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)有關結構信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認識事物的一種手段或工具。2）模型的分類（1）物理模型指不以人的意志為轉移的客觀存在的實體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）數(shù)學模型是從一定的功能或結構上進行相似，用數(shù)學的方法來再現(xiàn)原型的功能或結構特征。,1.1.3 計算機仿真模型,（3）仿真模型(描述模型)指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型

6、，用仿真語言轉化為計算機可以實施的模型。,1.1.4 計算機仿真的三要素及基本步驟（內容）,1）三要素（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機：工具與手段,計算機仿真的三要素及三個基本活動,2）基本步驟包括三個基本的內容：,1.2仿真的分類,1.2.1按模型分類物理仿真：采用物理模型，有實物介入！具有效果逼真，精度高等優(yōu)點，但造價高或耗時長，大多在一些特殊場合下采用（如導彈、衛(wèi)星一類飛行器的動態(tài)仿真，發(fā)

7、電站綜合調度仿真與培訓系統(tǒng)等），具有實時性、在線的特點。數(shù)學仿真：采用數(shù)學模型在計算機上進行，具有非實時性、離線的特點，經(jīng)濟、快速、實用。,1.2.2 按計算機類型分類,模擬仿真：采用數(shù)學模型，在模擬計算機上進行的實驗研究。（50年代）描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結果可靠的優(yōu)點，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計算機的核心是運算部分

8、，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要部件所構成。數(shù)字仿真：采用數(shù)學模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算方法所進行的仿真實驗。（60年代）,混合仿真：結合了模擬仿真與數(shù)字仿真?，F(xiàn)代計算機仿真：采用先進的微型計算機，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強大，使用方便，易學。（80年代以來）,1.3 仿真技術的應用與發(fā)展,1.3.1 仿真技術在工程中的應用1）航空與航天工業(yè)飛行器設計中的三級仿真體系：純數(shù)學模擬（

9、軟件）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行實驗。飛行員及宇航員訓練用飛行仿真模擬器等。2）電力工業(yè)電力系統(tǒng)動態(tài)模型實驗：電力系統(tǒng)負荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制等。電站操作人員培訓模擬系統(tǒng)。,神州飛船模擬訓練倉,,,,模擬飛船監(jiān)控室,,,,大型火力發(fā)電廠,,,,火電仿真機,,,,火電仿真機,,,,火電仿真機,,,,火電仿真機,,,,3）原子能工業(yè)模擬核反應堆核電站仿真器用來訓練操作人員以及研究異常故障的排除處理。

10、4）石油、化工及冶金工業(yè)5）非工程領域醫(yī)學社會學宏觀經(jīng)濟與商業(yè)策略的研究,建模仿真技術已作為人們認識、改造客觀世界的重要手段，廣泛地應用于各行各業(yè)。,虛擬樣機開發(fā)平臺Virtual prototype development platform——支持多學科虛擬樣機的設計和綜合優(yōu)化,虛擬場景 Virtual Environment,1.3.2 應用仿真技術的意義,1）經(jīng)濟大型、復雜系統(tǒng)直接實驗是十分昂貴的，如：空間飛行

11、器的一次飛行實驗的成本約在1億美元左右，而采用仿真實驗僅需其成本的1/10~1/5，而且設備可以重復使用。2）安全某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。,3）快捷提高設計效率：比如電路設計，服裝設計等等。4）具有優(yōu)化設計和預測的特殊功能對一些真實系統(tǒng)進行結構和參數(shù)的優(yōu)化設計是非常困難的，這時仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設

12、計功能。在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經(jīng)濟等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這時通過仿真技術的應用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認識。,1.3.3 仿真技術的發(fā)展趨勢,1）硬件方面：基于多CPU并行處理技術的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強數(shù)字仿真的實時性。2）應用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術將更深入地應用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機界面、結果輸出、綜合評

13、判等方面達到更理想的境界。3）分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡技術，協(xié)調合作，投資少，效果好。4）虛擬現(xiàn)實技術：綜合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、顯示技術以及仿真技術等多學科，使人置身于真實環(huán)境之中。,1.4計算機仿真軟件,1.4.1 仿真軟件的發(fā)展1）程序編程階段所有問題（如：微分方程求解、矩陣運算、繪圖等）都是用高級算法語言（如C、FORTRAN等）來編寫。2）程序軟件包階段出現(xiàn)了“應用子程序庫”。3）交

14、互式語言階段（仿真語言）仿真語言可用一條指令實現(xiàn)某種功能，如“系統(tǒng)特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實現(xiàn)等低級問題。,4）模型化圖形組態(tài)階段符合設計人員對基于模型圖形化的描述。1.4.2 幾種仿真軟件1）PSPICE、ORCAD：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級仿真。2）SYSTEM VIEW：系統(tǒng)級的電路動態(tài)仿真軟件3）MATLAB：具有強大的數(shù)值計算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATL

15、AB環(huán)境而運行，所以嚴格講，MATLAB不是一種計算機語言，而是一種高級的科學分析與計算軟件。4）SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)仿真環(huán)境。,本章小結,仿真是對系統(tǒng)進行研究的一種實驗方法，它的基本原則是相似性原理。數(shù)字仿真具有經(jīng)濟、安全、快捷的特點。仿真是在模型上進行的，建立系統(tǒng)的模型是仿真的關鍵內容。系統(tǒng)模型可以分為物理模型、數(shù)學模型及仿真模型，據(jù)此可將仿真分為物理仿真和數(shù)學仿真兩大類。系統(tǒng)、模