第一章 计算机辅助设计与仿真技术概述

MATLAB语言与控制系统仿真华中科技大学电气与电子工程学院应用电子工程系 康勇 李勋

二00一年十一月

课程任务通过本课程的学习，使学生初步掌握当前流行 的演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学 课程《自动控制原理》,学会运用MATLAB语 言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能， 为今后从事科学研究打下较好的基础。

教学内容第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 计算机仿真和辅助设计概述(1) MATLAB语言基础(5) 控制系统的数学描述与建模(4) 控制系统的分析方法(4) SIMULINK仿真基础(6)

学时安排与考试形式总学时：32(其中上机学时12) 考试方式：上机操作

参考书目 《MATLAB语言与自动控制系统设计》机械工业出版社，1997年，魏克 新 《控制系统数字仿真与CAD》机械工业大学出版社，1999年，张晓华 《反馈控制系统设计与分析—— MATLAB语言应用》清华大学出版社， 2000年，薛定宇 《基于MATLAB的系统分析与设计——控制系统》,西安电子科技大学 出版社，1999年，楼顺天 《MATLAB5. X应用与技巧》,科学出版社，1999年，蒙以正 《MATLAB5.X入门与应用》,科学出版社，1999年，柳承茂 《MATLAB电子仿真与应用》,国防工业出版社，2001年，韩竹利

CH1、计算机仿真和辅助设计概述 第一节 计算机仿真和辅助设计的基本 概念一、初识控制系统计算机仿真和辅助设计 例exp1_1.m 例exp1_2.m/exp1_3.m/exm1_2.mdl 二、计算机辅助设计与仿真的概念 1、计算机辅助设计的概念 计算机辅助设计(CAD)技术是利用计算机高速 而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能 力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性 思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高 设计质量的技术。

说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算 机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计 算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不 便与繁琐。 2、计算机仿真的概念 仿真的定义 仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比 模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵 循的基本原则是相似性原理。 计算机仿真的定义 计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计 算机对系统进行分析与研究的方法。

三、计算机仿真模型1、模型的定义 模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式 的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽 象，是人们认识事物的一种手段或工具。 2、模型的分类 (1)物理模型 指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞 行器研制中的飞行模型；船舶制

造中的船舶模型等。 (2)数学模型 是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法 来再现原型的功能或结构特征。

(3)仿真模型 指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机 可以实施的模型。

四、计算机仿真的三要素及基本步骤(内容)1、三要素 (1)系统：研究的对象 1 (2)模型：系统的抽象 (3)计算机：工具与手段系统 建立数学模型 仿真实验 结果分析

模型 计算机 建立仿真模型图1.1 计算机仿真三要素关系图

2、基本步骤 包括三个基本的内容：建模 仿真实验 问题的阐述 果分析设置目标 建立模型 编程序 否 验证正确与否 是 否 确认 是 仿真实验设计 运行分析 输出结果图1.2 计算机仿真程序流程

结

第二节一、按模型分类

仿真的分类

1、物理仿真：采用物理模型，有实物介入！ 具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长， 大多在一些特殊场合下采用(如导弹、卫星一类飞 行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统 等),具有实时性、在线的特点。 2、数学仿真：采用数学模型 在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经 济、快速、实用。

二、按计算机类型分类1、模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行 的实验研究。50年代 描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真， 具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但 受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控 制系统的仿真较困难，自动化程度低。 模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的 “模拟运算放大器”为主要部件所构成。 2、数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助 于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代

计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可 以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精 度可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时 间等因素影响，其精度也不易定得太高。 对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的 自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功 能。 计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果 的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问 题”会在不同程度上有所改进与提高。 数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人 员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出 的程序。

3、混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。 4、现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于 专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算 功能强大，使用方便，易学。80年代以来

第三节

仿真技术的应用与发展

一、仿真技

术在工程中的应用1、航空与航天工业 飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟(软 件)、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。 飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。 2、电力工业 电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态 稳定性以及最优潮流控制等。 电站操作人员培训模拟系统。

3、原子能工业 模拟核反应堆 核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故 障的排除处理。 4、石油、化工及冶金工业 5、非工程领域 医学 社会学 宏观经济与商业策略的研究

二、应用仿真技术的意义1、经济 大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空 间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右， 而采用仿真实验仅需其成本的1/10~1/5,而且设备 可以重复使用。 2、安全 某些系统(如载人飞行器、核电装置等),直接 实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而 采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的 研究起到保障作用。

3、快捷 提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。 4、具有优化设计和预测的特殊功能 对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非 常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计 功能。 在非工程系统中(如社会、管理、经济等系统), 由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可 能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的 某种超前认识。

三、仿真技术的发展趋势1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿 真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿 真的实时性。 2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不 断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深 入地应用于仿真软件开发之中，使得在人机界面、 结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。 3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作， 投资少，效果好。 4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体 技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多 学科，使人置身于真实环境之中。

第四节

计算机仿真软件

一、仿真软件的发展1、程序编程阶段 所有问题(如：微分方程求解、矩阵运算、绘图等) 都是用高级算法语言(如C、FORTRAN等)来编 写。 2、程序软件包阶段 出现了“应用子程序库”。 3、交互式语言阶段(仿真语言) 仿真语言可用一条指令实现某种功能，如“系统特 征值的求解”,使用人员不必考虑什么算法，以及 如何实现等低级问题。

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