基于Matlab的控制系统仿真 成都理工大学工程技术学院 自动化教研室 杨明.

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1 基于Matlab的控制系统仿真 成都理工大学工程技术学院 自动化教研室 杨明

2 基于Matlab的控制系统仿真 课程性质： 课程目的：
《控制系统仿真》是自动化专业的一门专业必修课，属于学科专业实验范畴，作为与相关教学内容配合的实践性教学环节。 课程目的： 通过系统学习，了解和掌握控制系统计算机仿真的基本概念、基本原理和基本方法，能够利用软件平台（Matlab/Simulink）进行控制系统的仿真及辅助设计，为相关学科的理论研究及工程应用打下良好的基础。在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。

3 基于Matlab的控制系统仿真 基本要求： 老师讲20%。 学生50%练习实例。 学生30%做设计报告
成绩构成：30%平时成绩+70%报告成绩。 综合设计报告要求： 题目：一阶倒立摆的PID（或状态反馈）控制仿真 建立倒立摆系统的数学模型， PID （或状态反馈）控制算法的讨论 基于Simulink的系统仿真(或者用M文件编程仿真)

4 动态系统的计算机仿真 1、 系统 系统只指具有某些特定功能、相互联系、相互作用的元素的集合。这里的系统是指广义上的系统，泛指自然界的一切现象与过程，例如工程系统如控制系统、通讯系统等，非工程系统如股市系统、交通系统、生物系统等。 2、 系统模型 系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质（或是系统的某种特性）的一种描述。模型具有与系统相似的特性。好的模型能够反映实际系统的主要特征和运动规律。 模型可以分为实体模型和数学模型。实体模型又称物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起来的物理模型，如建筑模型等。数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。原始系统数学模型是对系统的原始数学描述。仿真系统数学模型是一种适合于在计算机上演算的模型

5 动态系统的计算机仿真 3、 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验的一门综合性技术。 4、 仿真分类 （1）实物仿真：又称物理仿真。是指研制某些实体模型，使之能够重现原系统的各种状态。早期的仿真大多属于这一类。 优点：直观，形象，至今仍然广泛应用。 缺点：投资巨大、周期长，难于改变参数，灵活性差。

6 动态系统的计算机仿真 （2）数学仿真：是用数学语言去描述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究的过程。
（3）半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。为了提高仿真的可信度或者针对一些难以建模的实体，在系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合起来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存在实体的仿真称为半物理仿真或者半物理仿真，如飞机半实物仿真等。 优点：灵活性高，便于改变系统结构和参数，效率高（可以在很短时间内完成实际系统很长时间的动态演变过程），重复性好 缺点：对某些复杂系统可能很难用数学模型来表达，或者难以建立其精确模型，或者由于数学模型过于复杂而难以求解

7 动态系统的计算机仿真 5、计算机仿真 计算机仿真是在研究系统过程中根据相似性原理，利用计算机来逼真模拟研究系统。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的物理模型来进行研究的，即物理仿真。物理仿真的优点是直接、形象、可信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、故障处理等各个阶段。如训练飞行员、宇航员的方针工作台和仿真机舱等。

8 动态系统的计算机仿真 6、仿真的三要素 计算机仿真的三个基本要素是系统、模型和计算机，联系着它们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立（又称二次建模）和仿真试验。 数学仿真采用数学模型，用数学语言对系统的特性进行描述，其工作过程是： 􀁺 建立系统的数学模型； 􀁺 建立系统仿真模型，即设计算法，并转化为计算机程序，使系统的数学模型能为计算机所接受并能在计算机上运行； 􀁺 运行仿真模型，进行仿真试验，再根据仿真试验的结果进一步修正系统的数学模型和仿真模型。

9 基础训练部分 教 学 内 容 讲授学时 实践学时 MATLAB平台认识实验 0.5 1.0 MATLAB绘图 控制系统模型及转换
控制系统模型的连接 控制系统的阶跃响应 控制系统的脉冲响应 控制系统的根轨迹图绘制与分析 控制系统的波特图 控制系统的极坐标图 控制系统的复频率分析 离散系统的Z域分析 结构图控制系统仿真 频率法超前校正 2.0 频率法滞后校正 根轨迹法超前校正 根轨迹法滞后校正

10 题目：一阶倒立摆的PID（或状态反馈）控制仿真
综合设计部分 题目：一阶倒立摆的PID（或状态反馈）控制仿真

11 综合设计部分 具体工作安排： 1、一级倒立摆的数学模型建立 2、直线一级倒立摆系统分析 （稳定性、能控性、能观性分析）
3、PID控制器（状态反馈控制器）的设计 4、基于Simulink的控制仿真(或者用M文件编程仿真) 5、完成实验报告