控制系统仿真与测试技术

三、系统仿真软件
系统仿真技术是从40年代末计算机诞生开始的，70年代末、80年代初出现了很多实用的具有良好人机交互功能的软件[3]，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。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。
正文
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、执行器和控制器所组成，当选定测量变送装置和执行器后，对自动控制系统进行设计和分析研究，也就是对被控对象的动态特性进行分析和研究，然后根据被控对象的动态特性进行控制器的设计，以求获得能满足性能指标要求的最优控制系统。在控制器类型确定后，则分析和研究控制系统的主要目的之一是获得控制器的最佳整定参数。对于比较简单的被控对象，可以在实际系统上进行实验和调整来获得较好的整定参数。
但是在实际生产过程中，大部分的被控对象是比较复杂的，并且要考虑安全性、经济性以及进行实验研究的可能性等，这在现场实验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。例如研究导弹飞行、宇航、反应堆控制等系统时，不经模拟仿真实验就进行直接实验，将对人类的生命和健康带来很大的危险，这时，就需要把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究，简称仿真。
控制系统仿真与测试技术
学院精仪学院
专业测控技术与仪器
年级2007
姓名张禄鹏
2011年4月6日
摘要
本文综述了控制系统仿真的类型分类和步骤及目前常见的系统仿真软件，并举例说明了航天器研制的系统仿真测试。
关键词
控制系统仿真、仿真类型、仿真步骤、系统仿真软件、系统仿真测试
引言
随着科学技术的不断进步，控制理论的不断完善，系统仿真成为控制系统分析设计必不可少的手段。它是以系统数学模型为基础，计算机为工具，对实际系统进行实验和研究的一种方法。
结束语
控制系统仿真与测试技术在航空航天工业、电力工业、原子能工业等工程领域和军事领域都有着广泛的应用。仿真技术的实验设备可以重复应用，大大降低了实验成本，显著提高了经济效益，而且载人飞行器、核电装置等系统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。通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识，仿真测试技术也大大提高了设计效率。
通常将实际系统抽象为数学模型称之为一次模型化，它涉及到系统辩识技术问题，又称为建模问题。将数学模型转化为可以在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，它涉及到仿真编程、运行、修改参数等技术，又称为系统仿真技术，即通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化处理，就连续系统言，就是建立相应的差分方程。对于非实时仿真，可用一般高级语言或仿真语言。对于快速的实时仿真，往往需要用汇编语言。通过实验对仿真系统模型及程序进行校验和修改，然后按系统仿真的要求输出仿真结果。
航天器研制中的仿真和测试航天器仿真分为数学仿真、混合仿真、物理仿真三种类型。在航天器在不同研制阶段，会采用不同类型的仿真。在研制初期，采用数学仿真，利用计算机进行软件计算，对研制对象的数学模型、控制算法进行研究，研究的结果将作为实际物理器件研制的理论参考；在研制过程中，采用数学模型和物理模型相结合的混合仿真，制作仿真器，加入算法，对控制算法和部分电路、接口、信号进行验证；在研制的最后，会研制航天器样机，进行完全的物理仿真，考察整个航天器设计是否有问题。
控制系统仿真(control system simulation)是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科[1]。
MATLAB与SIMULINK是当今广泛为人们采用的控制系统数字仿真与CAD应用软件。MATLAB具有良好人机交互功能的软件，该软件的一个显著的特点就是使用方便、集成度高,由简单的几条命令,就可以实现以前FORTRAN类语言的成百上千条语句的功能,且结果稳定可靠。MATLAB是集可靠的数值运算、图像与图形处理,高水平的图形界面设计，以及各种实用工具箱于一身,还提供了与C语言、FORTRAN语言等的接口，可以大大提高仿真算法研究与实际应用的效率，提高仿真的可靠性。
随着仿真技术、测试技术、计算机技术的飞速发展，将会有更多更好的控制系统仿真与测试的新方法、新系统、新设备出现，这些新技术也将会被越来越广泛地应用到各行各业中去，为提高各行业的劳动生产率提供支持。
参考文献
[1]斯普里特,范斯蒂恩基斯特.计算机辅助建模和仿真.科学出版社.1991.
[2]李国勇.控制系统仿真与CAD.电子工业出版社.2003.
在仿真研究中，数学仿真只要有一台数学仿真设备（如计算机等），就可以对不同的控制系统进行பைடு நூலகம்真实验和研究，而且，进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是受控系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。而物理仿真则需要进行大量的设备制造、安装、接线及调试工作。数学仿真实验所需的时间比物理仿真大大缩短，实验数据的处理也比物理仿真简单的多。
二、仿真的步骤
仿真过程的三个主要活动是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”，而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中：系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型进行实验来达到研究的目的。
要对一个系统或对象实施计算机仿真，首先根据仿真目的确定相应的仿真结构和方法，规定仿真的边界条件与约束条件。对于简单的系统，可以通过某些基本定律来建立数学模型。而对于复杂的系统，则必须利用实验方法通过系统辩识技术来建立数学模型。
一、仿真的分类
仿真的分类依据原理可分为三类：物理仿真、数学仿真、混合仿真。物理仿真就是应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小或较大的物理模型（例如飞机模型放在气流场相似的风洞中）进行实验研究。数学仿真是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行研究。它由软硬件仿真环境、动画、图形显示、输出打印设备等组成。混合仿真又称数学物理仿真，它是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仿真、物理仿真和实体结合起来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中有部分实物介入的混合仿真也称为半实物仿真或者半物理仿真。
四、系统仿真测试
对系统进行测试时，要创建一个与真实贴近的的仿真测试环境，它是进行系统测试必需的工作平台和前提条件。建立仿真测试环境不仅可以对系统进行测试，还可以检测被测系统以及其它系统在各种运行条件下的协同工作能力。
IEEE在1983年将软件测试定义为“使用人工或自动手段运行或测定某个系统的过程，其目的在于检验它是否满足规定的需求或是弄清预期结果与实际结果之间的差别”。该定义明确地提出了测试以检验是否满足需求为目标，从系统质量保证的角度看，它是一种重要的系统质量保证活动，其目标是通过一些经济、高效的方法，捕捉系统中的错误，从而达到证实系统内在质量的目的。
以航天器研制为例，在研制过程中需要对研制对象进行大量仿真和测试，其对象包括整星、部件、算法等。仿真和测试贯穿航天器研制的整个过程，从而对被测试和被仿真对象的设计进行全面、系统的评估，航天器及部件的仿真和测试技术已广泛应用在各研制阶段。随着航天技术的发展，航天器复杂程度越来越高、功能越来越多、在轨时间越来越长，航天的投入和风险也越来越高，因此，需要不断提高仿真器设计水平，以满足航天技术发展的需要。
数学模型是系统仿真的依据，所以，数学模型的准确性是十分重要，必须把握系统的基本特征，抓住主要的因素，引入必要的参量，提出合理的假设，进行科学的抽象，分析各参量间的相互关系，选择恰当的数学工具，然后在此基础上建立相应的数学模型。仿真建模的过程是在已有的一些先验知识的基础上，试探地写出研究对象所满足的或近似满足的数学规律，再结合实际的研究目的，对猜测性的数学关系进行反复修改和优化，从而得到既符合客观实际又易于在计算机上实现的数学模型。
由于数学仿真的主要工具是计算机，因此数学仿真一般又称为“计算机仿真”。由于计算机仿真能够为许多实验提供方便、灵活的“活的数学模型”，因此，凡是可以用模型进行实验的，几乎都可以用计算机仿真来研究被仿真系统本身的各种特性，选择最佳参数和设计最合理的系统方案。所以随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越多地取代纯物理仿真[2]。
[3]黄惟一,胡生清.控制技术与系统第二版.机械工业出版社.2010.