控制系统算计机辅助设计概述.ppt
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1、2023/9/10,1,控制系统仿真,主讲:霍爱清,薛定宇 著控制系统仿真与计算机辅助设计第二版,机械工业出版社 2011年,2023/9/10,2,第 1 章控制系统计算机辅助设计概述,2023/9/10,3,本章主要内容,控制系统计算机辅助设计技术的发展综述控制系统计算机辅助设计语言环境综述仿真软件的发展概况MATLAB/Simulink与 CACSD工具箱控制系统计算机辅助设计领域的新方法本书的基本结构和内容,2023/9/10,4,1.1 控制系统计算机辅助设计技术的发展综述,早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来,如 Ziegler 与 Nichols 于1942年提出的
2、PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。随着控制理论的迅速发展,光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果,加之在计算机领域取得了迅速的发展,于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计(computer-aided control system design,CACSD)方法。,2023/9/10,5,控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平,并一直受到控制界的普遍重视早在1982年12 月和1984 年12 月,控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(Control Systems Magazine)和IEEE学会的科研报告集(Proc
3、eedings of IEEE)分别第一次出版了关于CACSD的专刊近三十年来,随着计算机技术的飞速发展,各类CACSD 软件频繁出现且种类繁多,MATLAB 语言出现以来,就深受控制领域学生和研究者的欢迎,已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言,成为控制界学者的首选。,2023/9/10,6,MATLAB 作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅助设计的算法,可以使读者将主要精力集中在控制系统理论和方法上,而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上,这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解,避免“只见树木,不见森林”的认识偏差,提高控制器设计的效率和可靠
4、性。,2023/9/10,7,跟踪国际最先 进的 CACSD软件环境及发展,以当前国际上最流行的 CACSD软件环境MATLAB为基本出发点来系统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实现,从而大大提高 CACSD算法研究与实际应用的效率和可靠性,这是本课的一个主要目的。,2023/9/10,8,1.2 控制系统计算机辅助 设计语言环境综述,20世纪70年代:1973年美国学者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一本专著,书中给出了许多当时流行的控制系统计算机辅助分析与设计的源程序,包括求取系统的根轨迹、频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序如:Luenberger 观测器、
5、Kalman 滤波等。,2023/9/10,9,瑞典 Lund 工学院教授 主持开发的一套交互式 CACSD 软件 INTRAC 日本的古田胜久(Katsuhisa Furuta)教授主持开发的DPACS-F 软件等。1980年美国学者 Cleve Moler 等人推出的交互式MATLAB 语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视图形交互式的模型输入计算机仿真环境 Simulink 的出现为MATLAB应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。,2023/9/10,10,国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段:软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段这些软件包大都是由
6、 FORTRAN 语言编写的源程序组成的,给使用者提供了较好的接口,但和 MATLAB 相比,调用方法和使用明显显得麻烦、不便。,现在,MATLAB 已经风靡了全世界,成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言。,2023/9/10,11,20世纪70年代末期和80年代初期出现了很多实 用的具有良好人机交互功能的软件,如:MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。正因为存在多种多样的 CACSD 软件,而它们之间又各有所长,所以在 CACSD 技术的发展过程中曾有过几次将若干常用软件集成在一起的尝试。,此外,以前 FORTRAN 语言绘图并不是轻而
7、易举的事情,这就需要再调用相应的软件包来做进一步处理。,2023/9/10,12,这些集成出来的软件并不是很成功的,因为它们并没有达到预期的效果。事实上,从那以后每个软件的功能都有了明显的改善,MATLAB 语言有了自己的仿真功能,Simulink 从某种意义上来讲其功能和接口更优于ACSL,MATLAB 和 Mathematica 之间也有了较好的接口,它们的优势可以得到充分地互补。,2023/9/10,13,我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSC软件清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序北京化工大学
8、吴重光、沈成林教授的著作和程序,2023/9/10,14,1.3 仿真软件的发展概况,仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视,建立起国际的仿真委员会(Simulation Councils Inc.,Sci),该公司于1967年通过了仿真语言规范。仿真语言CSMP(computer simulation modelling program)应该属于建立在该标准上的最早的专用仿真语言。中科院沈阳自动化研究所在1988年推出了该语言的推广版本 CSMP-C。,2023/9/10,15,系统仿真领域有很多自己的特性,如果能选择一种能反映当今系统仿真领域最高水平,也是最实用的软件或语言介绍仿真技术,
9、使得读者能直接采用该语言解决自己的问题,将是很有意义的。实践证明,MATLAB 就是这样的仿真软件,由于它本身卓越的功能,已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。本课中将介绍基于 MATLAB/Simulink的控制系统仿真与设计方法及其应用,2023/9/10,16,其他常用的仿真工具软件,ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)1 美国MDI/MSC公司2 50市场份额3 运动学/动力学/机电一体化,2023/9/10,17,PSPICE(模拟电路CAD软件)1 电子电路仿真软件2 ORCAD
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