第一章 基础知识 自动控制系统的基本概念 自动控制系统的分类 自控系统仿真的基本概念 Matlab 与自控仿真 小结

1.1 自动控制系统的基本概念 若干概念 1 ）控制对象、输入量（控制量、扰动量）、输出量 2 ）控制任务：形成控制作用的变化规律，是的在存 在一定扰动情况下，对象都能得到所期望的行为。 3 ）自动控制系统：通过控制器使控制对象自动地按 照给定的规律运行，是被控量能够按照给定的规律变化。

1.1 自动控制系统的基本概念 开环 / 闭环控制系统 p1- 图 1.1 开环控制示意图 p2- 图 1.2 闭环控制示意图 一个问题：控制理论，作为一个学科，其核心的概念 是什么？

1.1 自动控制系统的基本概念 闭环控制系统的组成结构 ( 图 1.3) 1 ）给定环节 控制装置： 2 ）比较环节 3 ）校正环节 4 ）放大环节 5 ）执行机构 6 ）控制对象 7 ）检测装置 Note ： 1 ）对比一下图 1.2 与图 1.3 ，图 1.3 给出了一个 更贴近实际的模型； 2 ）在实际的控制器设计过程中：需要考虑到实 际的执行机构的约束：反应的时间等等。

1.1 自动控制系统的基本概念 反馈控制系统品质要求 1 ）系统的过程：静态（稳态） - 动态（暂态） - 静态（稳态） 2 ）品质要求 稳定性、快速性、准确度。 note ：动态 - 静态性能的相互矛盾折衷。

1.2 自动控制系统分类 线性 / 非线性系统 1 ）什么是线性、非线性系统？ Y=f （ x ） 2 ）一个典型的非线性系统： chaos 系统、误差的指数性增长。 离散 / 连续系统 计算机控制（单片机等等、 mcu ） - 离散系统 恒值系统与随动系统

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的若干实例 问题：接触过哪些仿真的例子或者名词之类的？

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的若干实例 问题：接触过哪些仿真的例子或者名词之类的？ 比如：虚拟现实（ matrix ）、风洞、沙盘演练、军 方的一些军旗推演等、武器系统对抗的仿真、飞行训练 等等

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的一些核心的概念 问题：这些仿真的系统是如何实现的呢？ 仿真的系统形形色色，那么一些共同的概念是什么？ 共同点是什么？

核心概念－系统 概念： – 不同的领域对于系统的含义有不同的解释 – 在控制工程中，系统的定义为：由相互联系、 相互作用的物体所形成的具有特定功能和运 动规律的有机整体。

核心概念－系统 若干实例 – 人类社会 – 金融系统 – 企业 – 学校 – 软件系统 – 社会制度

核心概念－系统 系统的构成要素 – 实体 – 属性 – 活动 对系统的描述 – 系统的层次化：高层、低层 – 系统的模块化：耦合度、关联性、信息交互数量 – 系统的边界（输入、输出） – 系统的时间（发展的）、空间属性

核心概念－系统 系统分类 – 连续系统 – 离散系统 离散时间系统 离散事件系统 – 采样数据系统 – 离散－连续系统

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的一些核心的概念 数学模型：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。 表现形式上：是一种定量的抽象； 语义内容上：是一种简化，但是必须抓住本质； 对于同一系统，不同的观察点，可以提出不同的 模型。 ( 经济理论为例 )

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的一些核心的概念 note ： 1 ）对于同一系统，不同的观察点，可以提 出不同的模型。 ( 经济理论为例 ) 2 ）系统－模型：同一系统可以用不同的模型来 表达；不同的系统（只要数量关系上一样）可以用同一 模型来表达。 模型的分类（时间）： 静态模型：不含时间因素 动态模型：包含了时间因素

核心概念－模型 模型类型 静态系统模 型 动态系统模型 连续模型离散模型 集中参数分布参数时间离散随机离散 数学描述代数方程 微分方程、传递函数、状态方程偏微分方程差分方程、 z 变换离散 状态方程概率分布、排队论 应用举例系统稳态解 工程动力学、 系统动力学 热传导问题 计算机数据采样系 统、计算机控制系 统 交通系统、市场系统、电话系统

核心概念－模型 康德：时－空先验＋客观感知 模型的例子 – 社会制度 – 经济系统（古典理论、凯恩斯主义、新古典 主义、自由主义等） – 力学 – 中国传统的观念

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的一些核心的概念 仿真的分类 – 物理仿真：风洞中的飞机模型试验； 费用、周期、技术复杂性、可修改性 – 数学仿真：采用数学模型的仿真。 复杂系统的建模的困难 多大程度上反应真实世界？（模型简化到何种程 度才是适当的？） – 数学－物理混合仿真

核心概念的关系图 系统：研究的对象； 模型：系统的抽象； 仿真：对模型的实验； 系统建模：系统辨识技术范畴； 仿真建模：即针对不同形式的系统模型研究其求解算法； 仿真实验：仿真程序的检验及将仿真结果与实际系统的 行为进行比较。

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的一些核心的概念 为什么要采用仿真的方法？ (1) 系统尚未建立 (2) 真实系统试验成本太高：化工系统、经济系统 (3) 如果人是系统的一部分时，由于知道自己是试验的一部分，其行 动往往会和平时不一样，因此会影响试验的效果。 (4) 在实际系统上做多次试验时，很难保证每一次的操作条件都相同， 因而无法对试验结果的优劣作出正确的判断与评价。 (5) 试验时间太长或费用太大或者有危险。 (6) 无法复原，例如：改建一个加热炉，想要检查一下改建的加热炉 的效率与质量，不能先改建起来试试看，因为一改建就不可能再 回到原来的状态上去了。

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真的应用、优缺点等 仿真的应用 1 ）航空、航天 2 ）电力系统 3 ）原子能 …….. 仿真的优点 1 ）经济 2 ）安全 3 ）快捷 4 ）可优化设计和预测 仿真的缺点是什么？

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真过程

1.3.4 相关步骤－数学建模 系统的数学模型是描述系统输入、输出 变量以及内部各变量之间关系的数学表 达式。 描述控制系统各变量间静态关系采用静 态模型；描述控制系统各变量间动态关 系采用动态模型。 最常用的基本数学模型是微分方程与差 分方程。 建模方式： 1 ）机理建模； 2 ）系统辨识

1.3.4 相关步骤－仿真模型 原始控制系统的数学模型，如微分方程、差分 方程等，还不能用来直接对系统进行仿真，应 该将其转换为能够在计算机中对系统进行仿真 的模型。 – 对于连续系统而言，将微分方程这样的原始数学模 型，在零初始条件下进行拉普拉斯变换，求得控制 系统的传递函数，以传递函数模型为基础，将其等 效变换为状态空间模型，或者将其图形化为动态结 构图模型，这些模型都是系统的仿真模型。 – 对于离散系统而言，将差分方程经 z 变换转换为计 算机可以处理的数字控制器模型即可。

1.3.4 相关步骤－仿真模型 现有的计算机的类型，决定了仿真模型 的类型； 随着可能的计算机类型的扩展，可以仿 真的模型的范围也会加大。 图灵＋冯氏：原理＋实现； 例子：量子计算机等等。

1.3.4 相关步骤－仿真程序 通用语言： c 、 c ＋＋等 专门的仿真软件： Matlab(Simulink)

1.3 自动控制系统仿真基本概念 仿真过程 系统分析 建模：数学模型、计算机模型 选择合适的仿真平台、仿真软件、仿真语言等； 设计相关的仿真任务； 仿真实验

1.4 matlab/simulink 对 matlab 了解多少？ （ Hspice ， pspice 、 3dmax 、 modelsim ） 优点： 1 ）计算能力强 2 ）提供专业领域的 toolbox 3 ）易于学习、方便操作

1.4 matlab/simulink matlab 软件的桌面系统 matlab 的简单命令行运算 matlab 的编程例子 simulink 例子