国家级精品课程 控制系统仿真与CAD 第一章 控制系统计算机辅助设计概述

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1 国家级精品课程 控制系统仿真与CAD 第一章 控制系统计算机辅助设计概述
东北大学信息学院 薛定宇

2 第一章 控制系统计算机仿真 与辅助设计概述 本章主要内容 控制系统计算机辅助设计概述 计算机辅助设计语言环境概述 仿真语言发展概述
MATLAB语言及工具箱概述 控制系统计算机辅助设计新方法 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

3 控制系统计算机辅助设计技术 与计算机工具的发展综述
自动化（控制）学科的定位与地位 戴先中，高教出版社, 2003：自动化科学作为一门学科起源于 20 世纪初，自动化科学与技术的基础理论来自于物理学等自然科学和数学、系统科学、社会科学等基础科学，在现代科学技术的发展中有着重要的地位，起着重要的作用 何毓琦（Doyle J C，48th CDC大会报告，2000）：控制将是 21 世纪的物理学（Control will be the physics of the 21st century） 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

4 最早的控制器设计方法 1942 Ziegler & Nichols的PID控制器整定经验公式 利用查表和简单乘除法运算即可设计控制器 现在仍用，效果不佳 控制性能要求的日益增加、计算机技术的飞速发展催生了“控制系统计算机辅助设计”技术（computer-aided control systems design，CACSD，或CADCS） 国际控制界学者的关注 IEEE Proceedings、IEEE Control Systems Magazine 各种控制领域会议上的CACSD专题 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

5 1.1 CACSD计算机工具走向 第一阶段：Algo、BASIC、Fortran、C等底层语言 第二阶段：197？-198？软件包阶段
利用底层语言开发专用 Melsa & Jones：McGraw-Hill，1973 Karl Astrom： INTRAC（IDPAC、MODPAC、SYNPAC、POLPAC 等，及仿真语言 SIMNON） CLADP（Cambridge linear analysis and design programs） NASA Armstrong：ORACLS（optimal regulator algorithms for the control of linear systems） 孙增圻、袁曾任：清华大学出版社，1988及早期讲义 韩京清等：自然科学基金重大项目：CACSDC 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

6 第三阶段：198?- 交互式计算机语言 或多或少受MATLAB影响，语句相似 1980 Cleve Moler，MATLAB
第三阶段：198?- 交互式计算机语言 1980 Cleve Moler，MATLAB Jack Little 等人研制的 CTRL-C Boeing公司的 EASY 5 及 EASY5x Integrated Systems 公司的 Matrix-X 及 Xmath Systems Technology Incorporated 公司的 CC Visual Simulation 公司的VisSim、O-Matrix 韩国汉城国立大学权旭铉教授的 CemTool 免费软件 Octave、Scilab等 或多或少受MATLAB影响，语句相似 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

7 交互式语言阶段的另一种尝试：软件集成 1984年，美国Spang III 教授
SIMNON、CLADP、IDPAC SSDP（state space design program） 各个组成软件之间靠读写文件的方式来传递数据 1986年，英国UMIST的ECSTASY（environment for control system theory and synthesis Howard H Rosenbrock、 Neil Munro主持 MATLAB、ACSL、TSIM、Mathematica LATEX、FrameMaker等排版软件（语言） PC不兼容。SUN工作站上运行 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

8 集成软件的意义与局限性 第四阶段：199?- (Smalltalk,1972) 有很好的历史意义，但未得到普及
原来每个软件自身的封闭性导致不易沟通 后来每个软件自身的发展扩展了功能 MATLAB的仿真环境Simulink MATLAB的符号运算功能 MATLAB与Mathematica、Maple等的接口 MATLAB的LaTeX输出 第四阶段：199? (Smalltalk,1972) 面向对象（object-oriented）的设计技术 MATLAB语言就是一种面向对象的语言 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

9 1.2 仿真软件的发展概述 仿真语言阶段 国际仿真委员会（Simulation Councils Inc.，SCi）
1967年 仿真语言 CSMP（computer simulation modelling program） 中科院沈阳自动化研究所马纪虎研究员在 1988 年推出了该语言的推广版本－－CSMP-C Mitchell and Gauthier Associates公司 ACSL（advanced continuous simulation language） Karl Astrom 教授主持开发的 SIMNON 英国Salford大学的ESL仿真语言 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

10 MATLAB 已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计、通信等诸多领域仿真的首选语言
图形化建模与仿真阶段 MATLAB 下的 Simulink Scilab 配套的 Scicos 其他领域的建模工具如 PSpice 多领域物理建模与仿真阶段 MATLAB/Simulink 在一个框架下实现机、电、磁、控制等建 SimScape仿真语言 Modelica MATLAB 已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计、通信等诸多领域仿真的首选语言 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

11 1.3 MATLAB/Simulink 与 CACSD 工具箱简介
史前的EISPACK和LINPACK软件包 Cleve Moler构思了并开发了MATLAB，1980 Matrix Laboratory，免费交流版本 用一个语句求解线性代数问题 eig(A)、绘图功能 用 Fortran 语言编写了集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

12 MATLAB版本演化 C Moler、Jack Little建立了The MathWorks Inc
PC-MATLAB for DOS、Pro-MATLAB 1990年，MATLAB 3.5i是第一个可以运行于Microsoft Windows的版本，两个窗口 稍后推出的SimuLAB，1992年改名Simulink 1992年MATLAB 4.0：Windows编程 1994，MATLAB 4.2，支持图形用户界面编程 1996年，MATLAB 5.0，新数据结构如类、对象、单元数组，支持面向对象的编程 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

13 建议观看：Cleve Moler在中国演讲的视频
1999 年MATLAB 5.3，全新最优化工具箱和 Simulink 3 2000 年，MATLAB 6.0，在操作界面上有了很大改观，抛弃了LINPACK、EISPACK，改用更具优势的 LAPACK 软件包和 FFTW 系统，速度变得更快，数值性能也更好 2004 年，MATLAB 7.0 版：多领域物理建模仿真策略 MathWorks 公司每年在 3 月和 9 月分别推出 a 版和 b 版，2008a的符号运算功能达到顶峰 2012年9月，MATLAB 2012b暨8.0版，全新的界面，强大的仿真功能、更多的工具箱 建议观看：Cleve Moler在中国演讲的视频 Youku下搜索：cleve moler 同济 2012 IEEE计算机学会先驱奖 对计算机数值运算与MATLAB发展的全面回顾 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

14 MATLAB在控制领域的应用 丰富可靠的矩阵运算、科学运算、图形绘制、数据处理、建模仿真等功能 工具箱开发良性循环
著名控制学者参与：Alan Laub、Michael Sofanov、Leonard Ljung、Jan Maciejowski等，增加了工具箱的信誉 控制系统工具箱（Control System Toolbox） 系统辨识工具箱（System Identification Toolbox） 鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）、 多变量频域设计工具箱（Multivariable Frequency Design Toolbox） 神经网络工具箱（Neural Network Toolbox） 最优化工具箱（Optimization Toolbox） 信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox） 易于使用，如Bode图：bode(G) 掌握MATLAB，可以自行开发出自己擅长领域的工具箱 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

15 1.4 控制系统计算机辅助设计方法概述 早期的Ziegler-Nichols方法，查表、简单计算 频域设计方法 状态空间方法
多变量系统频域设计方法： 英国学派FRSs：Rosenbrock、MacFarlane、Mayne John Edmunds 多变量参数最优化控制方法 Zakian 不等式方法 (method of inequalities) 定量反馈理论： Issac Horowitz 1973，(quantitative feedback theory，QFT) 状态空间方法 线性二次型最优控制、极点配置、LQG/LTR 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

16 鲁棒控制 PID控制器的自整定方法 智能控制 分数阶控制：非整数阶微积分在控制中应用 1981，Zames 提出的最小灵敏度控制策略
基于范数的最优控制 线性矩阵不等式（linear matrix inequalities，LMI） µ 分析与综合等控制系统设计方法 PID控制器的自整定方法 智能控制 自适应控制：在线辨识和调整控制器参数 模糊逻辑控制器、仿人控制、神经网络控制等 分数阶控制：非整数阶微积分在控制中应用 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1

17 1.5 MATLAB版本选择及学习方法 2008a的符号运算工具箱是目前的最高水平
2008b以后用MuPAD取代Maple引擎，运算能力和扩展运算能力弱化很多，兼容性不好 建议使用2008a 32位版处理公式推导 2012b是最新版本，其他功能更强大，仿真功能也更强大，建议采用 每年三月、九月推出新版本（a、b版） 建议安装32位版，否则可能部分内容无法执行 本书大部分对版本依赖性不强 如何学习MATLAB语言 带着问题学，活学活用，学用结合，急用先学，立竿见影 ，要在用字上狠下功夫 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2018/12/1