实验二连续系统离散相似法的数字仿真实验
计算机仿真
1. 绪论
科学研究通常有三种途径；理论推导、 科学实验和仿真模拟。
1.1 仿真的概念
人们在认识自然、利用自然的过程中，为了 更好地完成这一能动过程，需要对物质世界， 乃至非物质世界进行实验研究。例如： 进行一项工程设计 规划一次军事演习 分析人口发展趋势 在这些过程中，人们经常要进行：试验、分 析、计算、决策等步骤。 然而试验分析对某些真实系统可能是不允许 的。通常的原因有：
一个加热炉温度调节系统的示意图
扰动
温度偏差
比较器 温度 给定值 炉温值 温度计 调节器
喷油量
加热炉
温度
一个简化的急诊室系统
1类 病人分类 到达 1：急诊 2：发烧 3：… 4：… 2-5类 5：打针/取药 病床 1-4类 医生
2-4类
护士 5类
离院
连续系统和离散系统
连续系统——系统状态量随时间连续变化的系 统。 离散系统——系统状态量只在一些时间点上由 于某种随机事件的驱动而发生变化的系统。
仿真软件的发展
80年代中~90 年代 智能仿真环境，将AI技术用于仿真 可视化程序设计技术的应用， 结果可视化，动画技术 （SIMAN-V, SMSCRIPT II 5——类自然语言） 数据库技术的介入 90年代~ SIMPLE++ (C++) SIMFACTORY AUTOMOD/AUTOSCHED/AUTOSTAT PROMODEL/MEDMODEL/SERVICEMODEL TAYLOY-II
计算机仿真的一般步骤
1.
2. 3. 4. 5. 6. 7.
调研系统，描述问题。对待研究的真实系统进 行调研，将要研究的问题尽可能描述清楚。 收集数据建立数学模型 拟订运行方案，加工成仿真模型。 编写仿真源程序 核实与致效。 模型运行 输出结果分析
计算机仿真(第4章 计算机仿真模型)
2
x
2
dt
• 如果物体速度不大，空气阻力很小，可以忽略不 如果物体速度不大，空气阻力很小， 这个模型还是比较精确的。 计，这个模型还是比较精确的。
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数学模型
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• 若速度较大，就必须考虑空气阻力，由于粘性阻 若速度大，就必须考虑空气阻力， 尼的摩擦力与速度的平方成正比， 尼的摩擦力与速度的平方成正比，所以数学模型 为：
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模型分类
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直接模拟模型 直接模拟模型 模拟模型 模拟模型 具体模型 缩尺模型 缩尺模型 模型 数学模型 数学模型 数字模型 数字模型 图形模型 图形模型 间接模拟模型 间接模拟模型
r
• 一个系统是按一定的方式相互连接起来的元素的 集合。确定系统的范围，取决于我们研究的范围、 集合。确定系统的范围，取决于我们研究的范围、 目的、任务。一般把不属于系统的部分称为环境， 目的、任务。一般把不属于系统的部分称为环境， 从环境向该系统流动的信息称为输入，反之，从 从环境向该系统流动的信息称为输入，反之， 系统向环境流动的信息称为输出。 系统向环境流动的信息称为输出。 • 建立一个系统的数学模型，就是建立系统的输入 建立一个系统的数学模型， 输出之间的关系。 输出之间的关系。
d 2 F = ( mv ) + k v dt
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3．数学模型的分类 ．
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模型参考自适应控制
10．自适应控制严格地说，实际过程中的控制对象自身及能所处的环境都是十分复杂的，其参数会由于种种外部与内部的原因而发生变化。
如，化学反应过程中的参数随环境温度和湿度的变化而变化（外部原因），化学反应速度随催化剂活性的衰减而变慢（内部原因），等等。
如果实际控制对象客观存在着较强的不确定，那么，前面所述的一些基于确定性模型参数来设计控制系统的方法是不适用的。
所谓自适应控制是对于系统无法预知的变化，能自动地不断使系统保持所希望的状态。
因此，一个自适应控制系统，应能在其运行过程中，通过不断地测取系统的输入、状态、输出或性能参数，逐渐地了解和掌握对象，然后根据所获得的过程信息，按一定的设计方法，作出控制决策去修正控制器的结构，参数或控制作用，以便在某种意义下，使控制效果达到最优或近似更优。
目前比较成熟的自适应控制可分为两大类：模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control）和自校正控制（Self-Turning）。
10.1模型参考自适应控制10.1.1模型参考自适应控制原理模型参考自适应控制系统的基本结构与图10.1所示：10.1模型参考自适应控制系统它由两个环路组成，由控制器和受控对象组成内环，这一部分称之为可调系统，由参考模型和自适应机构组成外环。
实际上，该系统是在常规的反馈控制回路上再附加一个参考模型和控制器参数的自动调节回路而形成。
在该系统中，参考模型的输出或状态相当于给定一个动态性能指标，（通常，参考模型是一个响应比较好的模型），目标信号同时加在可调系统与参考模型上，通过比较受控对象与参考模型的输出或状态来得到两者之间的误差信息，按照一定的规律（自适应律）来修正控制器的参数（参数自适应）或产生一个辅助输入信号（信号综合自适应），从而使受控制对象的输出尽可能地跟随参考模型的输出。
在这个系统，当受控制对象由于外界或自身的原因系统的特性发生变化时，将导致受控对象输出与参考模型输出间误差的增大。
(完整版)控制系统数字仿真题库
控制系统数字仿真题库一、填空题1. 定义一个系统时，首先要确定系统的边界；边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以为环境的作用称为系统的输出。
2．系统的三大要素为：实体、属性和活动。
3．人们描述系统的常见术语为：实体、属性、事件和活动。
4．人们经常把系统分成四类，它们分别为：连续系统、离散系统、采样数据系统和离散-连续系统。
5、根据系统的属性可以将系统分成两大类：工程系统和非工程系统。
6．根据描述方法不同，离散系统可以分为：离散时间系统和离散事件系统。
7. 系统是指相互联系又相互作用的实体的有机组合。
8．根据模型的表达形式，模型可以分为物理模型和数学模型二大类，其中数学模型根据数学表达形式的不同可分为二种，分别为：静态模型和动态模型。
9、采用一定比例按照真实系统的样子制作的模型称为物理模型，用数学表达式来描述系统内在规律的模型称为数学模型。
10．静态模型的数学表达形式一般是代数方程和逻辑关系表达式等，而动态模型的数学表达形式一般是微分方程和差分方程。
11．系统模型根据描述变量的函数关系可以分类为线性模型和非线性模型。
12 仿真模型的校核是指检验数字仿真模型和数学模型是否一致。
13．仿真模型的验证是指检验数字仿真模型和实际系统是否一致。
14．计算机仿真的三个要素为：系统、模型与计算机。
15．系统仿真的三个基本活动是系统建模、仿真建模和仿真试验。
16．系统仿真根据模型种类的不同可分为：物理仿真、数学仿真和数学-物理混合仿真。
17．根据仿真应用目的的不同，人们经常把计算机仿真应用分为四类，分别为：系统分析、系统设计、理论验证和人员训练。
18．计算机仿真是指将模型在计算机上进行实验的过程。
19. 仿真依据的基本原则是:相似原理。
20. 连续系统仿真中常见的一对矛盾为计算速度和计算精度。
21．保持器是一种将离散时间信号恢复成连续信号的装置。
22．零阶保持器能较好地再现阶跃信号。
系统工程理论与方法_系统模拟
ห้องสมุดไป่ตู้
应用仿真技术的意义
1、经济
大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一 次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成 本的1/10~1/5，而且设备可以重复使用。
2、安全
某些系统（如载人飞行器、核电装置等），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。
20
2. 排队规则：服务台从队列中选取顾客进行服
务的顺序 (1) 损失制。服务台都已被先来的顾客占用，那么他 们就自动离开系统永不再来。(打电话) 等 待 制 。 ① 先 到 先 服 务 ( F CF S )/ ② 后 到 先 服 务 (LCFS)/③随机服务(RAND)/④优先权服务(PR) (2)容量有限/无限 (3) 队列单列 / 多列 ( 只讨论队列之间不互相转移，不 中途退出)
系统仿真分类
系统仿真根据模型不同：可以分为物理仿真、数学仿真和 物理—数学仿真（半实物仿真）；
根据计算机的类别：可以分为模拟仿真、数字仿真和混合 仿真； 根据系统的特性：可以分为连续系统仿真、离散系统仿真； 根据仿真时钟与实际时钟的关系：可以分为实时仿真、欠 实时仿真（比实际时钟慢 ）和超实时仿真等。
系统仿真
内容简介：
系统模拟（亦称系统仿真）是指通过建立和运行系统的数学 模型，来模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的规律， 以实现在计算机上进行试验的全过程。这是近30年来发展起 来的一门新兴技术学科。公共管理的对象通常是社会、经济、 军事等复杂系统，一般都不能通过真实的实验来进行分析、 研究。因此，系统模拟技术就成为十分重要甚至必不可少的 工具。三种基本的模拟方法及其模型，即蒙特卡洛模拟方法、 排队模型、系统动力学模拟。通过蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟可以具体了解管理系统模拟的基本原理及方法， 排队模型体现了离散事件系统模拟的特点与规律，而系统动 力学模拟则是一种可以广泛应用于公共管理决策及政策分析 的连续系统模拟方法。
仿真ppt课件
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3.2.4 人在回路仿真
特征
专为操作人员的操作技能训练或指挥人员的指挥 决策能力训练而建立的仿真系统或用于有人操纵 的系统的设计、实验和评估
要求建立能够生成人的感知环境的各种物理效应 设备，包括生成视觉、听觉、触觉、动感、力感 等的设备，如视景系统、音响系统、运动系统、 操纵负荷系统、头盔、数据手套等
符合仿真模型的基本属性 便于分析研究、参数优化 具备良好的人机交互界面
20
逆向仿真建模
黑盒子
已知输入与输出，不知系统的内部结构
假定模型 仿真实验 修正仿真模型
21
仿真实验过程
22
仿真实验分级
23
仿真的实现步骤
问题的提出 模型的建立 数据需求 模型转换 论证和计划 实验 分析结果 修改和完善模型 实施和文档 系统维护
分布交互仿真(distributed interactive simulation, DIS)
现时常用的多平台仿真系统 用于复杂系统的设计、制造及在作战仿真
环境下进行产品性能的评估等
4
3.1.3 分布交互仿真发展的3阶段
第一阶段
20世纪80年代美国国防部启动的联网仿真 SIMNET
第二阶段
世界上最好的课堂在老人的脚下.
Having a child fall asleep in your arms is one of the most peaceful feeling in the world. 让一个孩子在你的臂弯入睡,你会体会到世间最安宁的感觉.
Being kind is more important than being right. 善良比真理更重要.
第七章 系统模拟
第二节 系统模拟示例
例1： 一个大型超市每日都从农村采购新鲜农产品 出售，正常情况下每公斤可获例1元。如果采购数量 过多，次日只能减价出售，每公斤将亏损0.4元，现 在该市采用以下采购策略：以前一天的市场需求量 作为当天的采购量。据统计分析，每天平均需求量 为100 kg,标准差为30 kg。在这种情况下，该超市经 营一个月能获多少利润？
4.51 5.53 7.43
107.82
112.33 117.86 125.29
Qt>Dt
Qt<Dt Qt>Dt Qt&.76
46.07 105.14 112.49
77.41
85.76 46.07 105.14
7.74
8.58 8.88 10.51
133.03
141.61 150.49 161
只要给定初始条件，确定出有关常数，则可编程得到模 拟模型。现假定所获的有关数据为： （1）100个家庭平均10个月增加一个家庭； （2）一幢住房从开始建筑到销售使用要经过5个月的时间; （3）空调机从订货到安装要经历10个月时间； （4）售出的空调机平均25个月损坏一台（损坏后不能修 复）。 于是可知：
系统模拟技术主要包括三个过程：
（1）建立模型 是实现模拟的基础。即先对被模拟的系统进行分析、假 设、简化，从而得出能反映真实系统本质及变化的模型，再 将模型转变成计算机能运行的模拟模型。 （2）对模型进行实验、运行 （3）对模拟的有效性分析 如：模型有效性分析、输入输出数据分析，输出结果与 现有真实数据的比较验证等。
67.32 112.59 127.36 74.81
6.73 11.26 5.38 7.48
81.33 92.59 97.97 105.45
零阶保持器
从频域看是把由于采样离散化而产生的高频分量 滤去，而将采样函数的离散频谱恢复成连续函数的主 频谱分量。
连续系统离散化过程
信号重构器不是理想的滤波器会给信号带来幅 值的衰减和相位的延迟，故：
用Z变换方法求脉冲传递函数
Gz
Y U
z z
Z
Gh
s
Gs
若G(s)=k
s a
，采用零阶保持器，则Gh
s
1
eTs s
Gz
Z
1
esT s
s
k
a
z
1 z
Z
k
ss
a
z
1 z
Z
k a
1 s
s
1
a
k a
z
1 z
z
z 1
z
z eaT
Байду номын сангаас
k 1 eaT a z eaT
利用Z逆变换求得其差分方程模型：
t
X t tx0 t BU d
其中
0
t eAt L1 sI A 1
求通解的方法2：
通过展开 d eAtxt 求 xt 的通解： dt
d eAt xt AeAt xt eAt xt eAt Axt xt eAt But
dt
上式两边从 t0到 t 积分可得
t
eAt xt eAt0 xt0 eA Bu d
1 s2
eTs
由Z变换的线性性质和位移定理可得
Gz
Tz
z 12
1 z
实验二--基于simulink的2ASK数字调制与解调的仿真
实验二 基于simulink 的2ASK 有扰通信系统仿真一、实验目的1、熟悉2ASK 系统的调制、解调原理2、进一步熟悉MATLAB 环境下的Simulink 仿真平台3、提高学生分析问题和解决问题的能力二、实验原理1、2ASK 调制原理a)2ASK 的时间波形振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。
当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。
设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P ，发送1符号的概率为1-P ，且相互独立。
该二进制符号序列可表示为)()(S nn nT t g a t s -=∑其中，⎩⎨⎧=P -P 110发送概率为发送概率为n a T s 是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为T s 的矩形脉冲:⎩⎨⎧≤≤=其他001)(s T t t g则二进制振幅键控信号可表示为t nT t g a t t s t s c s n n c ASK ωωcos )(cos )()(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==∑ 典型波形如图1-1所示图1-1 典型2ASK 波形由图1-1可以看出，2ASK 信号的时间波形e 2ASK (t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK 信号）。
b)2ASK 信号的功率谱密度由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程，所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。
2ASK 信号功率谱密度的特点如下：(1)由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由调制信号g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；(2)已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的2倍。
2ASK 信号功率谱密度推导：设调制信号s(t)为单极性不归零码，码元间隔为T s ，高电平设为A ，低电平为0，则)(t s 的功率谱)(f P s 为 )(4)(4)(222f A fT Sa T A f P s s s δπ+= 已调信号为t nT t g a t t s t s c S n n c ASK ωωcos )(cos )()(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==∑，其功率谱为[])()(16)()(sin )()(sin 16)(2222c c s c s c s c s c s e f f f f A T f f T f f T f f T f f T A f P -+++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--+++=δδππππ图1-2 2ASK 信号的功率谱密度示意图图中，sb T f 1=，为调制信号s(t)的带宽，数值上也等于码元速率。
信号的产生、时域变换及卷积计算(信号和图像给学生)
实验一 信号的产生、时域变换及卷积计算一、实验目的１．熟悉MATLAB 画图指令及基本函数的调用、编写方法。
２．掌握用MATLAB 实现信号的基本运算方法。
二、实验内容１．用MATLAB 表示)(),(),(),(00n n n n n u n u --δδ。
2．三角波f(t)如图所示，试利用MATLAB 画出f(2t)和f(2-2t)的波形。
已知该三角波在matlab 中表示为tripuls （t ，4，0.5）。
3. 用MATLAB 计算序列{-2 0 1 –1 3}和序列{1 2 0 -1}的离散卷积。
三、实验预备知识１．stem 和plot 函数的用法 （１）用stem 画短的离散时间序列（２）用plot 画连续时间信号已采样的近似图，或者画那些离散值个数难以控制增长的很长的离散时间信号。
（３）与stem 不同，plot 用直线将相邻的各元素连接起来，故当时间标号取得是够细的话，用直线所连接的结果是该原始连续时间信号图形的一个好的近似。
２．几种典型信号的表示方法 （1）单位脉冲序列k=-50:50;delta=[zeros(1,50),1,zeros(1,50)]; stem(k,delta)（2）单位阶跃序列方法1：k=-50:50;uk=[zeros(1,50),ones(1,50)]; stem(k,uk)３．信号的尺度变换、翻转、平移信号的翻转运算在使用时需要注意，其它运算较简单。
（１）在信号翻转f(-t)和f[-k]运算中，函数的自变量乘以一个负号，在MATLAB 中可以直接写出。
（２）翻转运算在MATLAB中还可以利用fliplr(f)函数实现，而翻转后信号的坐标则可以由-fliplr(k)。
4.三角波的产生tripuls() –该函数产生连续的、非周期的、幅度为1 的三角形脉冲信号，其调用格式如下：y=tripuls(t,w,s)其中，t 为时间向量，脉冲的时间中心为t=0，w 为脉冲的宽度，s 表示三角波的倾斜度，当s=0 时，产生对称的三角脉冲信号。
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实验二连续系统离散相似法的数字仿真实验
【实验目的】
1.掌握以系统结构图形式描述的连续系统时域离散相似法的数字仿
真方法和步骤。
2.学会利用时域离散相似法分析线性和非线性系统的动态性能以及
典型非线性环节对控制系统性能的影响。
【实验内容】
1.求出12221Gsss与2321()231Gsss的单位阶跃响应，并求出状
态空间模型。
2.用MATLAB建立系统模型并将所建立的系统模型相互转换为tf、zpk
或ss形式；通过连接函数的方式实现系统G1和G2的串联和并联。
（1）1182(0.4)(15)(25)sGssss（2）
2
2
2
10
s
Gs
ss
（3）
40.4139150100010A1
0
0
B
018360C
0D
3.非线性控制系统如图所示
（1）建立系统的SIMULINK模型，并选用RK4法，求出系统的单位阶
跃响应作为系统的标准解。求系统在有饱和非线性和无饱和非线性两
种情况下的动态响应，分析饱和非线性对系统动态性能的影响。
（2）求出系统传递函数对应的状态空间模型，并在该模型前加入虚
拟的采样开关和零阶保持器，得到离散化模型。
4.含死区环节的非线性控制系统的结构如图所示
（1）建立系统的SIMULINK模型，并选用RK4法，求出死区环节c=0，
0.1,0.5,1.0情况下（c=0相当于Ⅳ环节为1，即没有加入死区环节）
系统的单位阶跃响应作为标准解。
（2）求出图中传递函数对应的状态空间模型，并在该模型前加入虚
拟的采样开关和零阶保持器，得到离散化状态空间模型。
（3）在c=0,0.1,0.5,1情况下，利用时域离散相似法编程完成对该
系统的仿真研究。
（4）实验报告要求：
a.整理各种实验条件下的数据和曲线；
b.将仿真结果与标准解比较，分析不同死区参数对仿真精度的影响；
c.从仿真结果分析死区非线性对系统性能的影响。
ⅠⅡⅢ
Ⅳ