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计算机仿真学讲义.doc
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计算机仿真学讲义.doc
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计算机仿真
讲
义
目 录
目 录.............................................................................................I
第一章 控制系统及仿真概述.............................................................1
第一节 控制系统仿真的基本概念....................................................1
第二节 系统仿真的目的和分类.......................................................2
第三节 系统仿真软件的发展..........................................................5
第二章 MATLAB 语言的使用与程序设计...........................................6
第一节 MATLAB 系统简介............................................................6
第二节 MATLAB 语言的基本语句结构...........................................11
第三章 MATLAB 的绘图功能.........................................................29
第一节 图形窗口与坐标系............................................................29
第二节 二维图形的绘制...............................................................30
第三节 图形的修饰与标注............................................................37
第四节 MATLAB 下图形对象的修改..............................................40
第四章 MATLAB 在控制系统仿真中的应用......................................43
第一节 控制系统数学模型的基本描述方法......................................43
第二节 控制系统的稳定性分析.....................................................49
第三节 控制系统的根轨迹............................................................50
第四节 系统的频率响应...............................................................51
第五节 线性系统时间响应分析.....................................................55
第六节 延迟系统的仿真...............................................................56
第七节 状态空间法仿真实现.........................................................56
第八节 最优控制仿真..................................................................59
第五章 动态系统建模仿真工具 SIMULINK......................................61
第一节 SIMULINK 简介...............................................................61
第二节 SIMULINK 的建模与仿真方法............................................65
第三节 SIMULINK 仿真实例.........................................................71
第六章 控制系统工具箱简介...........................................................77
第一节 MATLAB 工具箱简介........................................................77
第二节 控制系统工具箱使用.........................................................80
I
第一章 控制系统及仿真概述
控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综
合性新型学科。这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行
的。它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。计算机仿
真基于计算机的高速而精确的运算,以实现各种功能。
第一节 控制系统仿真的基本概念
1.系统: 系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目
的的一个运动整体,这个整体叫做系统。 “系统”是一个很大的概念,通常研究
的系统有工程系统和非工程系统。
工程系统有:电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热
力学系统等。
非工程系统:宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、
生态系统、人口系统等。
2.模型: 模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。通过模型对
原型系统进行研究,将具有更深刻、更集中的特点。 模型分为物理模型和数学
模型两种。数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。
3.系统仿真: 系统仿真,就是以系统数学模型为基础,以计算机为工具
对系统进行实验研究的一种方法。 要对系统进行研究,首先要建立系统的数学
模型。对于一个简单的数学模型,可以采用分析法或数学解析法进行研究,但
对于复杂的系统,则需要借助于仿真的方法来研究。
那么,什么是仿真呢?顾名思义,仿真就是模仿真实的事物,也就是用一
个模型(包括物理模型和数学模型)来模仿真实的系统,对其进行实验研究。
用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真,它主要是应用几何相似及环境条件
相似来进行。而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿
真。我们这里讲的是后一种仿真。
数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型,并编成程序在计算机上
投入运行、实验的全过程。通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真,
又称计算机仿真。
计算机仿真包括三个基本要素:系统、模型与计算机。它们之间的关系如
下:
数学模型建立:实际上是一个模型辩识的过程。
所建模型常常是忽略了一些次要因素的简化模型。
仿真模型建立:即是设计一种算法,以使系统模型能被计算机接受并能在计
算机上运行。
显然,由于在算法设计上存在着误差,所以仿真模型对于实际系统将是一个
二次简化模型。
仿真实验:即是对模型的运算。需要设计一个合理的、服务于系统研究的真
软件.
系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技术。
4.系统仿真的基本过程:
(1)建立系统的数学模型;
(2)转换成仿真模型;
(3)编写仿真程序;
(4)对仿真模型进行修改校验,看与实际系统是否一致,确认模型的正确
性;
(5)运行仿真程序,在不同的初始条件和参数下,对系统进行反复分析和
研究.
第二节 系统仿真的目的和分类
一.系统仿真的目的及其作用:
1.优化设计:在复杂系统建立之前能够预测系统性能和参数,使设计的控
制系统达到最优指标。
2.经济性:直接在实物上实验成本昂贵。如发射人造卫星等。
3.安全性:某些系统如果直接实验往往是很危险的,也是不允许的。如核
电站。
4.预测性:对于经济、社会、生物等非工程系统,直接实验几乎是不可能
的,仿真可预测系统的特性和外作用的影响,从而研究控制的策略。
二、分类:
系统仿真根据所研究对象的模型特征、要求与目标等不同,可分为以下几大
类:
1.按系统的模型特征分:
(1)连续系统仿真:
当系统的数学模型是由微分方程(或差分方程)描述时,该系统的仿真过程
称连续系统仿真。
仿真方法主要是微分方程的数值求解方法。
(2)离散事件系统仿真:
当系统的数学模型是由随机事件、随机函数来描述时,该系统仿真的过程一
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