控制系统计算机辅助设计概述
计算机辅助设计名词解释
计算机辅助设计名词解释
计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）是一种利用计算机技术辅助进行产品、工程等的设计和制造的新兴技术。
以下是一些与CAD相关的名词解释：
1. 三维建模（3D Modeling）：使用CAD软件进行物体的三维几何建模，包括曲面建模和实体建模两种方式。
2. CAD/CAM集成系统：将CAD软件和CAM软件相结合，实现从设计到加工制造的全过程自动化。
3. 数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）: 用于存储和管理CAD数据的软件系统，可以对图形、文本、属性等数据进行有效的存储和管理。
4. 参数化设计（Parametric Design）：利用CAD软件的参数化功能，通过设定物体各部分的尺寸、形状、位置等参数来完成设计。
5. 自由曲面（Freeform Surface）：指没有明确规律的曲线或曲面，在CAD软件中可以通过绘制控制点等方式进行设计。
6. 数字化模型（Digital Model）：CAD软件中用于表示物体的三维数字模型，包括线框模型、表面模型和实体模型等。
7. 图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI）：CAD 软件中的操作界面，提供了可视化的操作界面和图形化的操作方式，使得用户可以方便地进行设计和编辑。
8. 特征建模（Feature Modeling）：通过CAD软件中的特征命令对物体进行分解和建模，以实现更加精细的设计和制造。
总之，以上这些名词是计算机辅助设计中常用的术语，了解这些术语有助于深入理解和掌握CAD技术。
计算机辅助设计及制造技术
• （2）常用的数据排序算法和查找算法
•
1）数据的排序算法。
•
2）常用的查找算法。
•
3）数据的插值。
•
4）曲线拟合。
一、概 述
计算机辅助设计（CAD）利用计算机 软硬件技术辅助设计人员对产品、工程进 行分析计算、几何建模、模拟仿真、优化 设计、绘制工程图样等的管理、生成技术 文件等的方法技术。
1．计算机图形显示输出设备
计算机图形的显示与相应的显示设备 有密切的关系，显示器分辨率的高低对 图形的生成质量和真实感有直接的关系。
常见的显示设备如：阴极射线管显 示器、液晶显示器、等离子显示器等等。
输出设备通常包括：打印机、绘图 仪、头盔显示器等。
2．图形元素生成的基本原理
计算机图形学的实质就是通过计算机将数 据转换为图形，并在显示器上进行实时显示。
Oracle数据库是一种大型数据库系统，一 般应用于商业，政府部门，它的功能强大，能 够处理大批量的数据，在网络方面也用的非常 多。
第3章
计算机图形处理及建模技术
• 基本内容 • 1．计算机图形显示输出设备 • 2．图形元素生成的基本原理 • （1）图形元素生成的基本算法。 • （2）图形的几何变换。 • （3）图形真实感处理简介。 • 3．几何建模方法 • （1）线框建模。 • （2）表面建模。 • （3）实体建模。 • （4）边界表示法。 • （5）实体结构几何法（CSG法）。 • （6）特征建模。
(3) 网状结构
网状结构是多对多得结构关系，比树结构更为复 杂的一种非线性结构，它的每个节点可能有多个前趋， 也可能有多个后继，节点的联系是任意的，它的每条 边具有相应的含义及权值。
3.数据库系统及应用
(1) 数据库系统的基本概念及分类
航空航天工程师的计算机辅助设计与分析
航空航天工程师的计算机辅助设计与分析航空航天工程涉及到复杂的设计和分析任务，需要高效且准确的工具来辅助工程师完成工作。
在现代科技的支持下，计算机辅助设计与分析已经成为航空航天工程师不可或缺的重要工具。
本文将介绍航空航天工程师常用的计算机辅助设计与分析技术及其应用。
一、计算机辅助设计概述计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称CAD）是通过计算机系统和软件工具来帮助设计师完成产品的绘图、三维建模、仿真等操作的技术。
航空航天工程师通过CAD技术可以对飞行器的结构、航电系统、传感器等进行设计和优化，提高工作效率和产品质量。
二、计算机辅助仿真与分析1. 结构分析航空航天工程师需要对飞行器的结构进行强度和稳定性分析。
计算机辅助结构分析（Computer-Aided Structural Analysis，简称CASA）通过有限元分析等方法，模拟飞行器在各种工况下的受力情况，帮助工程师确定结构的合理设计和改进方案。
2. 气动特性分析飞行器的气动特性对其性能至关重要。
计算机辅助气动特性分析（Computer-Aided Aerodynamic Analysis，简称CAAA）通过数值模拟和流场分析等方法，研究飞行器在不同速度、气动载荷下的气动特性，如升力、阻力和操纵性能等，帮助工程师进行飞行器的气动设计。
3. 控制系统仿真计算机辅助控制系统仿真（Computer-Aided Control System Simulation，简称CACSS）是对飞行器控制系统进行模拟和测试的技术。
航空航天工程师通过CACSS可以验证飞行器的控制算法、仿真飞行过程中的故障情况，并对控制系统进行改进。
三、计算机辅助设计与分析的应用案例1.新型飞行器设计计算机辅助设计与分析技术广泛应用于新型飞行器的设计过程。
工程师可以通过CAD软件进行模型的绘制和修改，利用CASA技术进行结构强度分析，并利用CAAA技术进行气动特性分析。
控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言与应用
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国际上出版了关于 MATLAB及 CACSD 的专著和教材，但它们大都是MATLAB的
入门教材，并没有真正深入、系统地探讨 CACSD 技术及 MATLAB实现，将MATLAB
的强大功能与控制领域成果有机结合是本 书力图解决的主要问题。
2020/4/12
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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除了经典的多变量频域方法之外，还出现了一些 基于最优化技术的控制方法，其中比较著名的是 英国学者 John Edmunds 提出的多变量参数最优化 控制方法和英国学者 Zakian 提出的不等式控制方 法等。
与此同时，美国学者似乎更习惯于状态空间的表 示与设计方法。此方法往往又称为时域方法 (timedomain)，首先在线性二次型指标下引入了最优控 制的概念，并在用户的干预下(如人工选择加权矩 阵)得出某种最优控制的效果，这样的控制又往往 需要引入状态反馈或状态观测器新的控制概念。
辨识工具箱、鲁棒控制工具箱、多变量频域设计工 具箱、µ分析与综合工具箱、神经网络工具箱、最 优化工具箱、信号处理工具箱、以及仿真环境
Simulink。
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1.5 控制系统计算机辅助设计 领域的新方法
早期的 CACSD 研究侧重于对控制系统的计算机辅 助分析上，开始时人们利用计算机的强大功能把 系统的频率响应曲线绘制出来，并根据频率响应 的曲线及自己的控制系统设计经验用试凑的方法 设计一个控制器，然后利用仿真的方法去观察设 计的效果。
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
计算机辅助设计概述
•
20世纪60年代初美国麻省理工学院林肯
实验室的I．E．Sutherland发表T“Sketch—Pad：
一个人机通讯的图形系统”的博士论文，首先提
出计算机图形学、交互技术、分层存储的数据结
构等新思想，从而为计算机辅助设计技术的发展
和应用打下了理论基础，打开了计算机图形处理
和辅助设计发展的大门。
• 70年代计算机辅助设计专家的理论研究利用有限元方
大型系统： （1）Pro/Engineer –美国PTC公司产品，是
最早的参数化造型软件，是CAD/CAE/CAM集 成软件系统，其中CAD系统尤为突出。 （2）UG--美国EDS公司产品，CAD/CAE/CAM集 成软件系统，CAM系统功能强大。己和IDEAS合并。
（3）I-DEAS--美国SDRC公司产品，最初以工 程计算和结构分析为主，后来也成为 CAD/CAE/CAM集成软件系统，CAE是该软件 特长，CAM相对不足，因此与UG合并。
1.2 计算机辅助设计的作用和功能
• 1.2.1 计算机辅助设计的作用 1．交互式的图形处理与几何模型构造 2．工程计算分析和对设计的模拟、验证、优化 3. 计算机自动绘图和辅助文档编辑 4．工程信息的有效存储及工程数据库的管理与共事 5．知识库基础上的专家系统和人工智能型辅助设计
与决策 6．良好的人机交互界面
因此，在研究计算机辅助设计技术的发展 时．不能只看到计算机辅助设计本身，必须随时 注意到相关工程技术领域的发展以及在这些领域 的推广和应用，从而引起全方位的技术革命。
第二章 计算机辅助设计系统的硬件和软件
• 计算机辅助设计系统包括硬件系统和软件系统 两大部分。硬件系统主要由电子计算机及其外 围设备组成，它是计算机辅助设计技术的物质 基础。软件系统是计算机辅助设计技术的核心， 它决定了系统所具有的功能。硬件和软件的组 合形成了计算机辅助设计系统。因此，了解和 掌握计算机辅助设计技术，研究和开发计算机 辅助设计系统，必须具备一定的硬件和软件知 识。
第1章计算机辅助设计与仿真技术概述
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
本章小结
• 仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本 原则是相似性原理。
• 数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。
• 仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的 关键内容。
• 系统模型可以分为物理模型、数学模型及仿真模型， 据此可将仿真分为物理仿真和数学仿真两大类。
• 系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素， 建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。
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。
4、模型化图形组态阶段
• 符合设PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件， 适合于元件级仿真。
2、SYSTEM VIEW：系统级的电路动态仿真软件
3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种 工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行， 所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而 是一种高级的科学分析与计算软件。
4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形 组态的动态仿真环境。
• 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。
计算机辅助设计概念
计算机辅助设计概念《计算机辅助设计概念》一、计算机辅助设计概述计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）是利用计算机系统进行工程设计的一种技术。
经过数百年的发展和研究，CAD 已经成为主流的工程设计和施工方案编制方式。
CAD软件通过提供用户友好的图形界面和图形编辑功能，使用户能够以比传统设计方法更精确和高效的方式对工程方案进行设计和修改。
二、计算机辅助设计的应用计算机辅助设计可以应用于各行各业。
在机械设计方面，CAD软件能够帮助用户绘制准确的二维和三维模型；在建筑设计方面，CAD 软件可以用于绘制建筑物的整体外观、室内设计、室外景观设计以及装饰设计等。
此外，CAD软件还可以用于纺织服装设计、印刷设计、包装设计和印刷机制造等行业的设计。
三、计算机辅助设计的优势1、快速编制设计方案：CAD软件能够帮助用户快速编制准确的设计方案，大大节省了时间和费用。
2、有效控制设计成本：CAD软件能够帮助用户准确测量设计图并计算所需材料的数量，从而更有效地控制设计成本。
3、提高设计质量：CAD软件支持多种精确的图形编辑功能，使用户能够更轻松地制作出高质量的设计图。
4、改善团队协作：CAD软件可以支持多人协同设计，从而改善团队协作。
四、计算机辅助设计的不足1、成本较高：CAD软件一般会比传统的设计手段要贵。
2、需要完善的技术支持：使用CAD软件需要技术人员支持，如果CAD技术不够完善，会影响到设计的准确度和效率。
3、较难理解复杂的图形：CAD软件能够制作出精确的图形，但是复杂图形可能会让用户难以理解。
4、软件运行问题：由于CAD软件使用较多的计算机资源，在安装和运行过程中可能出现系统性问题，从而影响正常的设计工作。
《控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用第2版》薛定宇_课后习题答案
【17】
（1)z＝ｘy
＞>[x,y]=mesｈgrid(-3:0.01:3，-3：0.０1:３);
z=x.*y；
mesh(x,ｙ，z);
>> contoｕr3(x,ｙ,z,５0)；
(１)ｚ=sin（xｙ)
>> [x,y］=mesｈgrid(-3:０.01:3，-3:０.０1：3);
【２】
相应的ＭATＬAB命令:B=A(２：2:end,：）
>>Ａ=ｍagic(8)
A=
64２361６06７57
95５5412１3 51５01６
1７47４6 20２１43 42２4
40262737３6 30313３
3２３435 29２838 392５
41２32244４5１91８48
4９１514 5253 11 10 5６
【１0】
fｕｎcｔion y＝fｉb(ｋ)
if nargin~=1,ｅrror（＇出错：输入变量个数过多，输入变量个数只允许为１!')；ｅｎdﻭif narｇout＞１,ｅｒrｏr(＇出错：输出变量个数过多！'）;end
if k<=０,error('出错:输入序列应为正整数！＇）;endﻭiｆk==1|k＝=2,y＝１;ﻭｅｌsｅy=ｆib（k-１)＋fib(k-２);ｅnｄﻭeｎｄ
8５8 5954 62 6３1
＞＞Ｂ=Ａ(2:2:ｅnd，:)
B =
9５5 54１21３515０16
402６27３7 3６30３1３3
4１２3２24４4519１8 4８
858 5954 6２631
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英文版：SIAM出版社，Linear Feedback Control, Analysis and Design with MATLAB，2007， TWM Research 2008控制学科推荐参考书
2014-3-19
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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课程内容
第一章 控制系统计算机辅助设计概述 第二章 MATLAB 语言程序设计基础 第三章 线性控制系统的数学模型 第四章 线性控制系统的计算机辅助分析 第五章 Simulink 在系统仿真中的应用 第六章 控制系统计算机辅助设计 第七章 鲁棒控制与鲁棒控制器设计 第八章 自适应与智能控制系统设计 第九章 半实物仿真与实时控制
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计 成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主 持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSC 软件。 清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序。
《控制系统计算机辅助设计》清华大学出版社1988
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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为什么选择MATLAB？
MATLAB 已经成为事实上的科学运算、仿 真和CACSD的标准语言 主要精力集中在控制系统理论和方法上， 而不是将主要精力花费在没有太大价值的 底层重复性机械性劳动上 对问题有整体了解，避免“只见树木，不 见森林”的认识偏差 提高控制器设计的效率和可靠性 子曰:“工欲善其事，必先利其器”
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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“现代”控制理论的三个代表
前苏联学者Pontryagin(1956)极大值原理 美国学者Bellman的动态规划(1957年) 美国学者Kalman的状态空间分析技术(1960年)
线性二次型最优调节器(Kalman 1959)、最优 状态观测器(Kalman 1960)及LQG控制器
20世纪70年代：
1973年美国学者 Melsa 教授和 Jones 博士出版了一
本专著，书中给出了许多当时流行的控制系统计算 机辅助分析与设计的源程序,包括求取系统的根轨迹、 频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子 程序如：Luenberger 观测器、Kalman 滤波等。 瑞典 Lund 工学院教授 主持开发的一套 交互式 CACSD 软件 INTRAC 日本的古田胜久 (Katsuhisa Furuta) 教授主持开发的 DPACS-F 软件等。
早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计 算出来，如 Ziegler 与 Nichols 于1942年提出的 PID 经验公式就可以十分容易地设计出来。 随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算 器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之 在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地 出现了控制系统的计算机辅助设计 (computer-aided control system design , CACSD)方法。
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多变量控制
英国学派
HH Rosenbrock 的逆 Nyquist 阵列 UMIST ALG MacFarlane 特征轨迹法 Cambridge David Mayne，序贯回路闭合方法，Imperial David Owens，并矢方法 Sheffield
以色列学者 Horowitz 的 QFT （Quatitative Feedback Theory）
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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鲁棒控制
LQG/LTR 基于范数的鲁棒控制 （Zames, 1980, Doyle et al, 1992）
H2鲁棒控制 Hinf鲁棒控制、最优控制
线性矩阵不等式 （LMI）最优化方法 分数阶控制 (fractional order control) 区间控制 (interval control)
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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控制理论的发展简述
基于微分方程及其稳定性的理论研究 Harris于1942年提出的传递函数的概念首先将 通信学科的频域技术移植到了控制领域，构 成了控制系统频域法理论研究的基础 系统的频域分析技术是在Nyquist (1932年)、 Bode (1945年)等早期的关于通信学科的频域 研究工作的基础上建立起来的 Evens在1946年提出的线性反馈系统的根轨迹 分析技术是那个时代的另一个里程碑
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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国际上控制系统计算机辅助设计软件的发 展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互 式语言阶段及当前的面向对象的程序环境 阶段
这些软件包大都是由 FORTRAN 语言编写的源 程序组成的，给使用者提供了较好的接口，但 和 MATLAB 相比，调用方法和使用明显显得麻 烦、不便。 此外，以前 FORTRAN 语言绘图并不是轻而易 举的事情，这就需要再调用相应的软件包来做 进一步处理。
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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20世纪70年代末期和80年代初期出现了很
多实用的具有良好人机交互功能的软件， 如：MATLAB、前面提及的 INTRAC和 CTRL-C 等。
正因为存在多种多样的 CACSD 软件，而
它们之间又各有所长，所以在 CACSD 技 术的发展过程中曾有过几次将若干常用软 件集成在一起的尝试。
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自适应控制
美国MIT模型参考自适应 系统模型辨识 瑞典学者Karl Astrom的自校正控制器 英国学者Peter Gauthroup 英国学者Wellstead 英国学者David Clarke的广义预测控制器
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
控制学科的前景
控制将是21
世纪的物理学 (Control will be the physics of the 21st century)
国际著名学者、哈佛大学的何毓琦(Larry Yu-Chi Ho) 教授 John Doyle 教授，在第40届IEEE 决策与控制年 会(CDC) 全会开篇报告
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MAD 过程
Mad ＝modelling，analysis，design 重复mad过程，设计出控制器
系统建模 系统分析
系统设计
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1.2 CACSD环境综述
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Routh (1874) 和 Hurwitz (1895) 等人的稳定性 研究成果 控制器的设计问题是由Minorsky在1922 开始 研究的，其研究成果可以看成是现在广泛 应用的PID控制器的前身。 1942年，Ziegler与Nichols提出了调节PID控 制器参数的方法，其方法对当今的PID控制 器整定仍有影响。 要求的提高：鲁棒控制器设计、智能控制 器设计，……等
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现代控制理论的发展
状态控制理论
状态空间理论（1960’s-1980’s） 自适应控制 多变量系统频域分析 鲁棒控制 智能控制 。。。。。。众多其他分支
状态空间理论现在不宜称为“现代控制理 论”
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用
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模糊逻辑与模糊逻辑控制 专家系统 神经网络控制 预测控制 自学习控制，迭代自学习算法 无模型控制器 自整定PID控制器
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1.1 控制系统计算机辅助设计 技术的发展综述
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控制学科的发展
“控制”一词应用广泛，本课：工业控制、反馈控 制 自动控制系统的早期应用可以追溯到两千多年前 古埃及水钟控制与中国汉代指南车控制 1788年英国科学家James Watt为内燃机设计的飞锤 调速器（flyball governor）可以认为是最早的反馈 控制系统的工程应用 由于调速器出现振荡现象，所以出现了Maxwell对 微分方程系统稳定性的理论研究(1868)
国家级精品课程
控制系统仿真与CAD
薛定宇 东北大学信息学院
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用 东北大学信息学院
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本课程教材
薛定宇著 控制系统计算机辅助设计--- MATLAB语言与应 用，北京：清华大学出版社， 2006
国家级精品课程教材 国家级精品教材 国家级十一五规划教材 教育部自动化专业教指委规划教材
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控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用 东北大学信息学院
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英国UMIST的ECSTASY项目：集成MATLAB， Framemaker，ACSL, Mathematica，LaTeX等 诸多软件。依作者之见，这些集成出来的软 件并不是很成功的，因为它们并没有达到预 期的效果。 事实上，从那以后每个软件的功能都有了明 显的改善，MATLAB 语言有了自己的仿真功 能，Simulink 从某种意义上来讲其功能和接 口更优于ACSL , MATLAB 和 Mathematica 之 间也有了较好的接口，它们的优势可以得到 充分地互补。