matlab軟件課件

1、基于Matlab語(yǔ)言控制系統(tǒng)仿真,主講：李靜18971269365,機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化教研室,課程任務(wù),通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的MATLAB語(yǔ)言的基本知識(shí)，結(jié)合所學(xué)課程《自動(dòng)控制原理》，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本技能，為今后從事專業(yè)相關(guān)方面的工作和研究打下較好的基礎(chǔ)。,學(xué)時(shí)安排與考試形式總學(xué)時(shí)：32（其中上機(jī)學(xué)時(shí)18）考試方式：上機(jī)操作+考試,第1章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿

2、真技術(shù)概述第2章 MATLAB簡(jiǎn)介第3章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第4章 控制系統(tǒng)的分析方法（simulink簡(jiǎn)介）,教學(xué)內(nèi)容,教材及參考書目,教材： 《控制系統(tǒng)CAD---基于MATLAB語(yǔ)言》 機(jī)械工業(yè)出版社，2010年，張晉格，陳麗蘭《反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析—— MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用》清華大學(xué)出版社，2000年，薛定宇《基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——控制系統(tǒng)》，西安電子科技大學(xué)出版社，200

3、9年，樓順天《控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真》 國(guó)防工業(yè)出版社，2010年，黃忠霖,第1章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)概述,1.1 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本概念1.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真的概念1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）是利用計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能力，結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、

4、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。,說明：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從廣義上來講它包含了計(jì)算機(jī)仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作是利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來處理設(shè)計(jì)者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2）計(jì)算機(jī)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(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對(duì)真實(shí)過程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。計(jì)算機(jī)仿真的定義計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。,1）模型的定義

5、 模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)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(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)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(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。,1.1.3 計(jì)算機(jī)仿真模型,（3）仿真模型(描述模型)指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

6、，用仿真語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。,1.1.4 計(jì)算機(jī)仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）,1）三要素（1）系統(tǒng)：研究的對(duì)象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計(jì)算機(jī)：工具與手段,計(jì)算機(jī)仿真的三要素及三個(gè)基本活動(dòng),2）基本步驟包括三個(gè)基本的內(nèi)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(shí)物介入！具有效果逼真，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高或耗時(shí)長(zhǎng)，大多在一些特殊場(chǎng)合下采用（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動(dòng)態(tài)仿真，發(fā)

7、電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)等），具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性、離線的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。,1.2.2 按計(jì)算機(jī)類型分類,模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。（50年代）描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動(dòng)化程度低。模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分

8、，它由我們熟知的“模擬運(yùn)算放大器”為主要部件所構(gòu)成。數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。（60年代）,混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，使用方便，易學(xué)。（80年代以來）,1.3 仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,1.3.1 仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用1）航空與航天工業(yè)飛行器設(shè)計(jì)中的三級(jí)仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（

9、軟件）、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行實(shí)驗(yàn)。飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器等。2）電力工業(yè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)：電力系統(tǒng)負(fù)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(xùn)模擬系統(tǒng)。,神州飛船模擬訓(xùn)練倉(cāng),,,,模擬飛船監(jiān)控室,,,,大型火力發(fā)電廠,,,,火電仿真機(jī),,,,火電仿真機(jī),,,,火電仿真機(jī),,,,火電仿真機(jī),,,,3）原子能工業(yè)模擬核反應(yīng)堆核電站仿真器用來訓(xùn)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(lǐng)域醫(yī)學(xué)社會(huì)學(xué)宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究,建模仿真技術(shù)已作為人們認(rèn)識(shí)、改造客觀世界的重要手段，廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。,虛擬樣機(jī)開發(fā)平臺(tái)Virtual prototype development platform——支持多學(xué)科虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)和綜合優(yōu)化,虛擬場(chǎng)景 Virtual Environment,1.3.2 應(yīng)用仿真技術(shù)的意義,1）經(jīng)濟(jì)大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實(shí)驗(yàn)是十分昂貴的，如：空間飛行

11、器的一次飛行實(shí)驗(yàn)的成本約在1億美元左右，而采用仿真實(shí)驗(yàn)僅需其成本的1/10~1/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。2）安全某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實(shí)驗(yàn)往往會(huì)有很大的危險(xiǎn)，甚至是不允許的，而采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險(xiǎn)程度，對(duì)系統(tǒng)的研究起到保障作用。,3）快捷提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。4）具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能對(duì)一些真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常困難的，這時(shí)仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)

12、計(jì)功能。在非工程系統(tǒng)中（如社會(huì)、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實(shí)驗(yàn)幾乎不可能，這時(shí)通過仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對(duì)系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識(shí)。,1.3.3 仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),1）硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性。2）應(yīng)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(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)

13、判等方面達(dá)到更理想的境界。3）分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)調(diào)合作，投資少，效果好。4）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人置身于真實(shí)環(huán)境之中。,1.4計(jì)算機(jī)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(yùn)算、繪圖等）都是用高級(jí)算法語(yǔ)言（如C、FORTRAN等）來編寫。2）程序軟件包階段出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫(kù)”。3）交

14、互式語(yǔ)言階段（仿真語(yǔ)言）仿真語(yǔ)言可用一條指令實(shí)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(shí)現(xiàn)等低級(jí)問題。,4）模型化圖形組態(tài)階段符合設(shè)計(jì)人員對(duì)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(jí)仿真。2）SYSTEM VIEW：系統(tǒng)級(jí)的電路動(dòng)態(tài)仿真軟件3）MATLAB：具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(yùn)行，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，而是一種高級(jí)的科學(xué)分析與計(jì)算軟件。4）SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。,本章小結(jié),仿真是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究的一種實(shí)驗(yàn)方法，它的基本原則是相似性原理。數(shù)字仿真具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷的特點(diǎn)。仿真是在模型上進(jìn)行的，建立系統(tǒng)的模型是仿真的關(guān)鍵內(nèi)容。系統(tǒng)模型可以分為物理模型、數(shù)學(xué)模型及仿真模型，據(jù)此可將仿真分為物理仿真和數(shù)學(xué)仿真兩大類。系統(tǒng)、模