1_连续系统仿真模型

一、实验目的1. 熟悉MATLAB/Simulink仿真软件的基本操作。

2. 学习控制系统模型的建立与仿真方法。

3. 通过仿真分析，验证理论知识，加深对自动控制原理的理解。

4. 掌握控制系统性能指标的计算方法。

二、实验内容本次实验主要分为两个部分：线性连续控制系统仿真和非线性环节控制系统仿真。

1. 线性连续控制系统仿真（1）系统模型建立根据题目要求，我们建立了两个线性连续控制系统的模型。

第一个系统为典型的二阶系统，其开环传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)} \]第二个系统为具有迟滞环节的系统，其开环传递函数为：\[ G(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)(s+3)} \]（2）仿真与分析（a）阶跃响应仿真我们对两个系统分别进行了阶跃响应仿真，并记录了仿真结果。

（b）频率响应仿真我们对两个系统分别进行了频率响应仿真，并记录了仿真结果。

（3）性能指标计算根据仿真结果，我们计算了两个系统的性能指标，包括上升时间、超调量、调节时间等。

2. 非线性环节控制系统仿真（1）系统模型建立根据题目要求，我们建立了一个具有饱和死区特性的非线性环节控制系统模型。

其传递函数为：\[ W_k(s) = \begin{cases}1 & |s| < 1 \\0 & |s| \geq 1\end{cases} \]（2）仿真与分析（a）阶跃响应仿真我们对非线性环节控制系统进行了阶跃响应仿真，并记录了仿真结果。

（b）相轨迹曲线绘制根据仿真结果，我们绘制了四条相轨迹曲线，以分析非线性环节对系统性能的影响。

三、实验结果与分析1. 线性连续控制系统仿真（a）阶跃响应仿真结果表明，两个系统的性能指标均满足设计要求。

（b）频率响应仿真结果表明，两个系统的幅频特性和相频特性均符合预期。

2. 非线性环节控制系统仿真（a）阶跃响应仿真结果表明，非线性环节对系统的性能产生了一定的影响，导致系统响应时间延长。

仿真建模中的离散事件仿真与连续系统模拟技术在仿真建模领域中，离散事件仿真（Discrete Event Simulation, DES）与连续系统模拟技术是两种常用的方法。

离散事件仿真通过模拟系统组成部分之间的事件交互，以离散的时间步长进行模拟，适用于涉及离散事件和事件交互的系统。

而连续系统模拟技术则基于连续时间模型，将系统的状态从一个时间点演化到下一个时间点，适用于涉及连续变量和连续过程的系统。

本文将对离散事件仿真与连续系统模拟技术进行详细介绍和对比。

离散事件仿真是一种在离散事件驱动的基础上进行系统模拟的方法。

离散事件驱动指的是系统的状态变化是由离散事件的发生所触发的。

这些事件可以是任何可能影响系统行为的事物，如任务到达、资源请求和完成等。

离散事件仿真将系统中的所有活动建模为一系列事件，并通过事件的发生和处理来模拟系统的行为。

在仿真过程中，建模者需要明确定义系统中的各个事件及其发生的条件，以及事件发生后系统状态的变化规则。

离散事件仿真的优点是能够精确地模拟系统中的时间和事件交互，使得仿真结果具有较高的精确度。

它常用于模拟涉及排队、流程调度、供应链管理等问题的系统，如银行业务、交通系统和制造业生产线。

在离散事件仿真中，时间步长是指仿真模型中的事件触发机制。

不同的仿真模型可以选择不同的时间步长，以确保仿真结果的准确性和效率。

时间步长的选择应考虑系统中事件的发生频率和对结果的精确度要求。

当事件发生频率较高时，适合选择较小的时间步长，以提高仿真的精确度。

而当事件发生频率较低时，可以选择较大的时间步长以提高模拟效率。

常用的时间步长选择策略包括固定时间步长和自适应时间步长。

固定时间步长是指在整个仿真过程中使用相同的时间间隔，适用于事件发生频率稳定的仿真模型。

自适应时间步长则根据事件发生的频率动态调整时间间隔，以保持较高的仿真精确度和效率。

相比之下，连续系统模拟技术则更适用于描述连续变量和连续过程的系统。

在连续系统模拟中，系统的状态是以连续的时间点为基准进行演化的。

仿真算法知识点总结图解一、仿真算法的基本原理1.1 仿真概念仿真是指通过模拟实际系统的运行过程来预测系统性能、评估方案、优化设计等的一种方法。

仿真可以用于模拟现实世界中的各种系统，如物理系统、信息系统、经济系统等。

1.2 仿真模型仿真模型是对实际系统的简化描述，它包括系统的结构、行为规则、参数等信息。

通过建立仿真模型，我们可以在计算机上进行模拟实验，以探索系统的性能、行为特征和优化方案。

1.3 仿真算法的分类根据系统类型和仿真目的的不同，仿真算法可以分为连续系统仿真算法和离散系统仿真算法。

连续系统仿真算法适用于连续变量的系统，如物理系统和控制系统；离散系统仿真算法适用于离散事件的系统，如排队系统和生产系统。

1.4 仿真算法的基本步骤仿真算法的基本步骤包括建模、验证、实验设计、模拟运行和结果分析等。

建模是仿真算法的核心，它涉及到系统结构的抽象化、参数的设定、规则的定义等。

验证是指通过比较仿真结果与实际观测数据的一致性来检验仿真模型的有效性。

实验设计是指设计合理的仿真实验以获取有用的信息。

模拟运行是指在计算机上运行仿真模型进行试验。

结果分析是指对仿真结果进行统计分析和评价。

1.5 仿真算法的评价指标仿真算法的评价指标包括仿真精度、仿真效率和仿真可信度等。

仿真精度是指仿真结果与实际观测数据的一致程度；仿真效率是指仿真模型的计算速度和资源消耗；仿真可信度是指仿真结果的合理性和可靠性。

二、连续系统仿真算法2.1 连续系统方程的数值解法连续系统方程通常是由微分方程或偏微分方程描述的，为了在计算机上进行仿真，需要采用数值解法对这些方程进行离散化处理。

常用的数值解法包括欧拉法、梯形法、四阶龙格-库塔法等。

2.2 连续系统仿真的模拟程序设计连续系统仿真的模拟程序通常包括系统方程的离散化模型、时间步长控制、数值解法的选择、边界条件处理等内容。

设计一个高效、稳定的连续系统仿真程序是非常具有挑战性的。

2.3 连续系统仿真的优化方法针对连续系统仿真的高维度、非线性等特点，通常需要采用一些优化方法来提高仿真效率和精度。

plant simulation系统仿真与建模手册一、引言随着科技的飞速发展，plant simulation（植物仿真）系统在我国的应用越来越广泛。

plant simulation系统是一种通过计算机模拟与建模技术，对植物生长、发育、生理生态等过程进行高效、精确研究的系统。

本文将简要介绍plant simulation系统在各个领域的应用，以期为相关领域的研究与发展提供参考。

二、plant simulation系统基础知识1.系统组成与功能plant simulation系统主要由以下几个部分组成：数据采集与处理、模型构建与参数化、仿真算法与求解、结果分析与可视化等。

系统功能主要包括：（1）根据实际观测数据，构建植物生长模型；（2）通过调整模型参数，模拟植物在不同环境条件下的生长状态；（3）分析植物生长过程的各种影响因素，为生产实践提供理论依据。

2.常用仿真与建模方法（1）离散事件仿真：适用于研究植物生长过程中的阶段性事件，如发芽、开花、结果等。

（2）连续系统仿真：适用于研究植物生长过程中的连续变化，如生长速率、养分吸收等。

（3）系统动力学建模：通过建立植物生长与环境的动态关系，分析植物生长过程中的非线性特征。

（4）人工智能建模：利用神经网络、支持向量机等方法，对植物生长进行预测与优化。

三、plant simulation系统应用案例1.制造业生产调度：通过plant simulation系统模拟生产线的工作流程，优化生产计划与资源分配。

2.供应链管理：模拟供应链各环节的运行状况，降低库存成本，提高整体运营效率。

3.交通流量优化：模拟城市交通网络，为交通管理部门提供优化方案。

4.能源系统规划：模拟能源供需关系，为能源政策制定提供决策依据。

5.医疗资源分配：模拟医院各部门的工作状态，优化医疗资源配置。

四、plant simulation系统建模与仿真流程1.确定目标与需求：明确plant simulation系统的应用目的，提出具体研究问题。

仿真项目知识点总结一、概念和基础知识1. 仿真的定义仿真是利用计算机技术模拟和重现实际系统的行为和特性的过程，以便用来分析、设计和测试系统。

它是一种模拟实际系统行为的一种方法，通过构建模型、运行模拟实验来研究和预测系统的性能和行为。

2. 仿真的分类仿真可以根据模拟对象的不同分为连续系统仿真和离散系统仿真两种。

连续系统仿真主要是以微分方程来描述系统的运行机制，例如控制系统、电路系统等；离散系统仿真则是以差分方程或状态转移方程来描述系统的运行机制，如生产系统、交通系统等。

3. 仿真的基本要素仿真的基本要素包括仿真模型、仿真实验、仿真软件和仿真结果分析。

仿真模型是对实际系统行为和特性的抽象描述，仿真实验是利用仿真模型进行实际的模拟和测试，仿真软件是用来构建和运行仿真模型的工具，仿真结果分析则是对仿真实验结果的定量和定性分析。

4. 仿真的应用领域仿真在航空航天、军事、医疗、交通、环境、金融等领域都有广泛的应用。

通过仿真可以为决策提供依据，优化系统设计，减少试验成本和风险，提高工作效率等。

二、仿真建模与仿真软件1. 仿真模型的建立建立仿真模型是仿真项目的第一步，它是对实际系统行为和特性的抽象描述。

仿真模型可以是基于物理规律、数学建模、经验模型等方式建立的，在建立仿真模型时需要考虑系统的复杂性、实时性、计算成本等因素。

2. 仿真软件的选择仿真软件是进行仿真实验的工具，不同的仿真项目需要使用不同的仿真软件。

常见的仿真软件有MATLAB、Simulink、Arena、AnyLogic、Ansys、SolidWorks等，根据具体的仿真需求和仿真对象的特性来选择仿真软件。

3. 仿真模型的验证和验证建立了仿真模型后，需要对其进行验证和验证。

验证是通过与实际系统的比较来验证模型的正确性和准确性，验证是通过不同条件下的实验和测试来验证模型的可靠性和适用性。

4. 仿真建模的技巧在建立仿真模型时，需要考虑模型的简化和精简，尽量减少参数和变量的数量，提高模型的效率和可靠性。

控制系统仿真实验报告班级：测控1402班姓名：王玮学号：072018年01月实验一经典的连续系统仿真建模方法一实验目的:1 了解和掌握利用仿真技术对控制系统进行分析的原理和步骤。

2 掌握机理分析建模方法。

3 深入理解阶常微分方程组数值积分解法的原理和程序结构，学习用Matlab编写数值积分法仿真程序。

4 掌握和理解四阶Runge-Kutta法，加深理解仿真步长与算法稳定性的关系。

二实验内容:1. 编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对非线性模型（3）式进行仿真。

（1）将阀位u 增大10％和减小10％，观察响应曲线的形状;（2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定（3）利用 MATLAB 中的ode45()函数进行求解，比较与（1）中的仿真结果有何区别。

2. 编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真（1）将阀位增大10％和减小10％，观察响应曲线的形状;（2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定（4）阀位增大10％和减小10％，利用MATLAB 中的ode45()函数进行求解阶跃响应，比较与（1）中的仿真结果有何区别。

三程序代码:龙格库塔:%RK4文件clccloseH=[,]';u=; h=1;TT=[];XX=[];for i=1:h:200k1=f(H,u);k2=f(H+h*k1/2,u);k3=f(H+h*k2/2,u);k4=f(H+h*k3,u);H=H+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;TT=[TT i];XX=[XX H];end;hold onplot(TT,XX(1,:),'--',TT,XX(2,:)); xlabel('time')ylabel('H')gtext('H1')gtext('H2')hold on水箱模型:function dH=f(H,u)k=;u=;Qd=;A=2;a1=;a2=;dH=zeros(2,1);dH(1)=1/A*(k*u+Qd-a1*sqrt(H(1)));dH(2)=1/A*(a1*sqrt(H(1))-a2*sqrt(H(2)));2编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真：1 阀值u对仿真结果的影响U=;h=1; U=;h=1;U=;h=1;2 步长h对仿真结果的影响:U=;h=5; U=;h=20;U=;h=39 U=;h=50由以上结果知,仿真步长越大,仿真结果越不稳定。

第一章控制系统及仿真概述控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科。

这门学科的产生及发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。

它包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处理。

计算机仿真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。

第一节控制系统仿真的基本概念1．系统：系统是物质世界中相互制约又相互联系着的、以期实现某种目的的一个运动整体，这个整体叫做系统。

“系统”是一个很大的概念，通常研究的系统有工程系统和非工程系统。

工程系统有：电力拖动自动控制系统、机械系统、水力、冶金、化工、热力学系统等。

非工程系统：宇宙、自然界、人类社会、经济系统、交通系统、管理系统、生态系统、人口系统等。

2．模型：模型是对所要研究的系统在某些特定方面的抽象。

通过模型对原型系统进行研究，将具有更深刻、更集中的特点。

模型分为物理模型和数学模型两种。

数学模型可分为机理模型、统计模型与混合模型。

3．系统仿真：系统仿真，就是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统。

更多的情况是指以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。

要对系统进行研究，首先要建立系统的数学模型。

对于一个简单的数学模型，可以采用分析法或数学解析法进行研究，但对于复杂的系统，则需要借助于仿真的方法来研究。

那么，什么是系统仿真呢？顾名思义，系统仿真就是模仿真实的事物，也就是用一个模型（包括物理模型和数学模型）来模仿真实的系统，对其进行实验研究。

用物理模型来进行仿真一般称为物理仿真，它主要是应用几何相似及环境条件相似来进行。

而由数学模型在计算机上进行实验研究的仿真一般则称为数字仿真。

我们这里讲的是后一种仿真。

数字仿真是指把系统的数学模型转化为仿真模型，并编成程序在计算机上投入运行、实验的全过程。

通常把在计算机上进行的仿真实验称为数字仿真，又称计算机仿真。

计算机仿真包括三个基本要素：系统、模型与计算机。

连续系统仿真方法连续系统仿真是指通过对系统进行建模和模拟计算，来分析和预测系统的行为和性能。

它是现代工程领域中一种重要的设计和分析工具，可以帮助工程师们快速而准确地了解和评估系统的行为，并在设计过程中进行优化。

连续系统仿真方法主要由系统建模、模型求解和结果分析三个步骤组成。

首先是系统建模。

在连续系统仿真中，系统被描述为一组微分方程或差分方程，这些方程描述了系统的动态行为。

系统的建模可以使用多种方法，包括物理模型、数学模型、状态空间模型等。

物理模型是通过对系统的物理特性进行建模，将系统的动态行为转化为物理参数和方程。

数学模型则是将系统的行为转化为数学方程来描述。

状态空间模型则是通过引入状态变量来描述系统的行为。

根据具体的系统特性和实际需求，可以选择不同的建模方法。

其次是模型求解。

求解模型通常使用数值计算方法，如欧拉法、Runge-Kutta法等。

这些方法将系统的微分方程或差分方程转化为一系列离散时间点上的数值。

通过迭代计算，在每个时间点上更新系统的状态变量，并计算系统的输出。

数值计算方法的选择要考虑到系统动态特性、求解精度和计算效率等因素。

最后是结果分析。

仿真结果可以用来分析系统的动态行为、输出响应和性能指标。

可以通过绘制时间域图、频率域图和相图等，来直观地展示系统的响应和特性。

根据仿真结果，可以对系统的工作状态和性能进行评价，并进行灵敏度分析、优化设计等进一步分析。

连续系统仿真方法在工程领域中有广泛的应用。

例如，在电子电路设计中，可以使用连续系统仿真方法来分析电路的动态响应和稳定性。

在机械系统设计中，可以使用仿真方法来分析结构的强度和振动特性。

在控制系统设计中，可以使用仿真方法来评估控制系统的闭环性能和稳定性。

在通信系统设计中，可以使用仿真方法来分析信号传输的效果和误码率。

与传统的试验方法相比，连续系统仿真方法具有时间和成本的优势。

仿真可以在计算机上进行，不需要进行实际的试验和测试。

通过对系统的各种参数和条件进行调整和变化，可以快速地评估系统的性能和响应，为系统的设计和优化提供便利。

1 Flexsim系统仿真软件概况Flexsim 是PC Base的数字虚拟企业的仿真系统，来建立各种经营、管理、制造等模型，并且可在微软公司的Windows 2000、Windows XP、及Vista 等不同作业平台上执行的全窗口化3D专业仿真软件。

Flexsim是新一代的面向对象的仿真建模工具，它是迄今为止世界上唯一一个在图形建模环境中集成了C++IDE和编译器的仿真软件。

在这个软件环境，C++不但能够直接用来定义模型，而且不会在编译中出现任何问题。

这样就不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链接。

它能使决策者轻易地在个人电脑中建构及监控任何工业及企业的分散式流程。

透过Flexsim我们可以率先找出未来工业及企业流程的模式。

Flexsim基础架构设计不只是要满足使用者现今的需求，其架构的概念更是为了企业的未来而准备。

Flexsim就是帮助工程师，经理和决策者形象化地在动态三维虚拟现实环境中检测新提议的操作，流程或是系统。

这对于创建那些可能出现崩溃，发生中断或是产生瓶颈的复杂系统是必不可少的。

通过预先创建系统模型，可以考察各种假设的场景，同时不会产生改变实际系统时所面临的中断，成本和风险。

Flexsim不仅已应用于工业自动化仿真、物流中心配送仿真、交通运输仿真、交通流量管制仿真、医疗管理研究、医院动线规划仿真等民用工程，也已经应用于先进国防战略仿真、航天制程仿真等大型研究方向。

主要的应用领域：制造业：半导体芯片制造、肉食包装工厂中的牛肉处理、钢铁制造、果酱成品的罐装，标签，包装，发货、电子器件制造、仓储和配送：运输：高速路交界处的交通流、火车站中人群和列车的移动、河流中驳船的往来穿梭、国际边防路口的交通堵塞其他：矿石开采和加工、快餐店中食物准备和客户服务、参观者在娱乐场所内的活动、喷气式飞机引擎的拆卸，翻新和更换、医院中病人和食物的处理、共享的网络存储器中数据的流动、银行处理中心中支票的处理。

[转载]系统、模型和仿真⼈类在认识世界与改造世界的活动中所⾯对的对象便可称为系统。

为了了解现实世界的系统或设想的未来系统随着时间变化的⾏为，先开发⼀个模型，等模型通过有效性验证后，以该模型来代替该系统，就可以⽤于解答现实世界系统各种各样的“如果······就会······”的问题了，这就是系统建模与仿真。

为此，下⾯先对系统、模型与仿真这三个基本概念加以说明。

1.系统是⼀些实体按照某些规律结合起来，互相作⽤、互相依存的集合。

举个例⼦，可以把餐馆定义为⼀个系统，该系统有服务员和顾客。

顾客按照某种规律到达，服务员根据顾客的要求按⼀定的程度为其服务，服务完毕后顾客离去。

在该系统中，顾客和服务员互相作⽤，顾客到达模式影响着服务员的⼯作忙闲状态和餐馆预定状态，服务员的多少服务效率⾼低也影响着顾客接受服务的质量。

在定义⼀个系统时，⾸先要确定系统的边界。

尽管世界上的事物是互相联系的，但当我们研究某⼀对象时，总是要将该对象与环境区别开来。

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，系统对边界以外的环境的作⽤称为系统的输出。

尽管世界上的系统千差万别，但⼈们总结出了描述系统的“三要素”，即实体、属性、活动。

实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性也称描述变量，描述了每⼀实体的特征，其中系统的状态对实体描述来说是必需的；活动定义了系统内部实体之间的互相作⽤，从⽽确定了系统内部发⽣变化的过程。

系统可以被划分为离散的和连续的两类。

“连续系统”是指状态变量随时间连续改变的系统，“离散系统”是指状态变量只在某个离散时间点集合上发⽣变化的系统。

实际上很少有系统是完全离散的或者完全连续的，但对于⼤多数系统来说，由于某⼀类型的变化占据主导地位，因此会有可能将系统划分为离散的或连续的。

2.模型在⼀般意义上，模型是⼀种替代，⽤于代表原对象以便得到更好的定义，从应⽤的⾓度，模型不是原对象的复制，⽽是根据不同的使⽤⽬的，选取原对象的若⼲⽅⾯进⾏抽象和简化。