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计算机仿真技术课件控制系统数化及仿真

目

录

CONTENCT

绪论

控制系统基本原理与数学模型

数字化方法及其在控制系统中的应用

计算机仿真技术基础

控制系统数字化仿真实现过程

典型案例分析与实践操作演示

总结与展望

绪论

定义

发展历程

应用领域

自20世纪50年代以来，计算机仿真技术经历了从简单模拟到复杂系统仿真的发展过程，现已成为科学研究、工程设计和教育培训等领域的重要工具。

计算机仿真技术广泛应用于航空航天、能源、交通、制造、生物医学等领域，用于系统设计、性能评估、优化控制等方面。

计算机仿真技术是一种基于计算机系统的模拟技术，通过建立数学模型和算法，模拟实际系统的行为和性能。

将连续时间控制系统转换为离散时间控制系统，便于计算机处理和实现实时控制。数字化包括采样、量化和编码等过程。

通过计算机仿真技术，可以对控制系统进行建模和仿真分析，预测系统性能、优化控制策略、缩短开发周期、降低实验成本等。

数字化是实现控制系统计算机仿真的基础，仿真则是数字化控制系统的分析和验证手段。

控制系统数字化

仿真意义

数字化与仿真的关系

内容

目标

本课件将介绍计算机仿真技术的基本原理和方法，包括数学建模、算法设计、仿真实验等方面。同时，将结合控制系统数字化的相关知识，讲解控制系统仿真的实现过程和应用实例。

通过本课件的学习，学生应掌握计算机仿真技术的基本概念和原理，了解控制系统数字化的方法和意义，具备进行简单控制系统建模和仿真的能力。同时，培养学生的创新意识和实践能力，提高分析和解决问题的能力。

控制系统基本原理与数学模型

包括控制器、执行器、被控对象、检测变送环节等部分，各部分协同工作实现对被控对象的控制。

控制系统组成

根据控制方式不同，可分为开环控制系统和闭环控制系统；根据信号传递方式不同，可分为连续控制系统和离散控制系统。

控制系统分类

描述线性定常连续系统动态特性的数学模型，通过拉普拉斯变换将时域微分方程转换为复频域代数方程。

描述系统内部状态变量与外部输入、输出变量之间关系的数学模型，适用于多输入多输出系统。

状态空间方程

传递函数

非线性系统

系统输出与输入之间不存在线性关系的系统，其数学模型通常为非线性微分方程或差分方程。

时变系统

系统参数随时间变化的系统，其数学模型通常为时变微分方程或差分方程。

离散系统

系统输入输出信号为离散时间序列的系统，其数学模型通常为差分方程。

数字化方法及其在控制系统中的应用

采样定理是数字化信号处理的基础，它规定了采样频率与被采样信号最高频率之间的关系，确保信号能够准确地从离散样本中恢复出来。

采样定理

信号重构是通过插值等方法，将离散采样点还原为连续信号的过程。重构后的信号应尽可能接近原始信号，以保证信号的准确性和完整性。

信号重构

数字滤波器类型

滤波器设计方法

滤波器实现

数字滤波器根据功能可分为低通、高通、带通和带阻等类型。不同类型的滤波器可用于提取特定频段的信号成分或抑制干扰信号。

数字滤波器的设计方法包括窗函数法、频率抽样法和优化算法等。这些方法各有特点，适用于不同的应用场景和设计需求。

数字滤波器的实现可通过软件编程或专用硬件实现。软件实现具有灵活性高、成本低等优点，而硬件实现则可提供更高的处理速度和实时性能。

计算机仿真技术基础

确定性仿真算法特点

基于确定的数学模型，输入与输出之间存在确定的函数关系，结果具有可重复性。

随机性仿真算法特点

引入随机因素，模拟实际系统中的随机性和不确定性，输出结果具有统计规律性。

仿真算法分类

根据仿真模型的性质，仿真算法可分为确定性仿真算法和随机性仿真算法两大类。

数值积分法

通过数值方法求解微分方程的解，适用于连续系统仿真。

离散事件法

基于事件驱动的思想，通过记录系统状态变化时刻及相应的事件，对系统进行仿真。

蒙特卡罗法

通过随机抽样和统计试验来求解数学问题的近似解，适用于复杂系统的仿真优化。

基于随机过程理论，描述系统状态的随机变化规律，适用于随机系统仿真。

随机过程法

通过建立状态转移概率矩阵，描述系统状态的随机转移过程，适用于具有马尔可夫性的系统仿真。

马尔可夫链法

在随机性仿真中，利用蒙特卡罗方法进行随机抽样和统计试验，求解系统性能指标的近似解。

蒙特卡罗模拟法

01

02

03

控制系统数字化仿真实现过程

MATLAB概述

MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级语言和交互式环境。

Simulink概述

Simulink是MATLAB的一种图形化仿真环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。

MATLAB与Simulink的集成

MATLAB和Simulink可以无缝集成，用户可以在Simulink模型中直接调用MATLAB算法