1 控制系统CAD及仿真
教材：控制系统仿真 主编：郑恩让 北京大学出版社/中国林业大学出版社
2 第1章 绪 论
控制系统仿真：采用计算机仿真模型对控制系统进行实验研究。它是系统科学、控制理论、控制工程、系统辨识、计算机科学等多学科的综合性很强的实验科学技术，是自动化学科的重要的分支。
计算机：精确的计算能力、大容量的存储能力、数据处理能力
设计者：综合分析、逻辑判断、创造性思维
优点：可以加快系统分析、设计进程、缩短设计周期、提高设计质量。
特别强调：控制系统仿真绝不是简单使用计算机代替人工的计算和绘图，
而是通过仿真系统与设计者之间的强有利的“信息交互“，从本质上增强设计人员的想象力、分析力和创造力。
几个例子：
3 1、 加加林遇难新说
1968年3月27日 加加林遇难
1988年1月18日 塔斯社报道（参考消息1月28日）
“加加林驾驶的米格15进入前面飞机产生的湍流区域而进行螺旋飞行状态”，“驾驶员做了5~6次摆脱操作，但缺少约2秒的时间”；“在250~300米高度出了问题”
4
2、 广州白云机场坠机事件（1992年）
-----起飞飞行中突然遭遇风切变所致
3、 气囊弹射速度确定（1997年，美国）
原来220英里/小时，在加拿大一年统计：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美国众议院通过，调整到180英里/小时。 逆风
切变 顺风
切变
5
4、 美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用
原计划发射 仿真后实发 节省导弹 节省费用（单位：千万美元）
爱国者 141 101 40 8．0
罗兰特 224 95 129 4．2
尾 刺 185 114 71 2．5
控制系统CAD，即控制系统的计算机辅助设计（Control System Computer Aided Design）。控制系统CAD技术是对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。在进行控制系统的分析与综合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程是设计－实验－修改设计－再实验的过程。
“控制系统CAD及仿真”课程教学改革探讨
摘要:为了进一步提高自动化本科学生的系统设计及应用能力,提高教学质量效果,结合作者的教学实践经验,从课程的教学目的,面临问题,教学实验以及课程考核方式等方面对“控制系统计算机仿真”课程进行探讨。
关键词:控制系统 仿真 教学改革
1 课程教学目的
“控制系统CAD及仿真”课程是电气与电子工程系自动化专业方向的一门专业选修课,课程主要通过Matlab仿真软件的学习,对控制系统设计进行分析和仿真,为系统工程实现打好理论坚实基础。
本课程将向学生传授“仿真技术”这一利器,并要使学生清楚:随着新技术的不断发展,将会不断地产生更有效、更实用的“仿真工具”,应该不断地学习与掌握之,以使自己能够“与时俱进”。为学生讲明“仿真技术”中所涉及的基本原理、基本概念与基本方法,因为它是能够有效运用“仿真工具”的理论基础。为学生提出一些“生动有趣、启迪思想”的工程实际问题,努力创造一个“自由畅想、激发创造”的空间,以使大家从中体会到:“仿真技术”是学习、科研以及生活中不可缺少的“有力工具”。
2 课程教学面临问题 仿真技术对于自动化工程技术人员来说意义重大,如何将这种前沿技术引入仿真技术类课程的教学中来,并提高学生的学习兴趣,激发学生的创造意识,开阔他们的思维视野,是本课程面临的重要问题之一。
2.1 教学方式的多样性问题
与“电路理论”等理论性专业基础课有所不同,计算机的飞速发展、新的仿真技术不断出现,要求“仿真技术”类课程的教学方式应该与时俱进。目前,大多数院校都具备多媒体教学条件,应该改进传统的教学模式,充分利用多媒体教学条件,应用现代化的教学手段,加深学生对问题的理解,反映最新的技术,从而达到教学效果的目的。可以结合仿真实例,以动画、视频及软件演示的方式,让学生获取知识的方式更加直观和生动。
2.2 能力的培养与训练
仿真技术类课程应该将能力培养放在第一位,学生掌握基本原理、概念和方法是最低层次,这些在前面的专业基础课里面都应该已经掌握,仿真类课程不是对这些知识的复习;应该充分利用仿真工具,使学生加深理解所学课程与知识内容,培养学生独立分析和解决问题的能力,激发学生的创造意识,训练学生的思维方法,是仿真技术类课程教学所面临的深层次问题。
《控制系统建模与仿真》课程习题（1）
一、“投针实验”的历史价值
在人类数学文化史中，对圆周率精确值的追求吸引了许多学者的研究兴趣。在众多的圆周率计算方法中，最为奇妙的是法国物理学家布丰（Boffon）在1777年提出的“投针实验”。
试回答下列问题：
1、试对“投针实验”的机理给出一种直观形象的物理解释？
2、有人说“布丰/ Boffon（投针实验）是仿真技术的奠基者”，为什么？
3、试用MATLAB语言编制“投针实验”的仿真程序，仿真证明之。
二、自平衡式两轮电动车的安全问题
近年来，自平衡式两轮电动车产品成为“抢眼”的代步工具，但也出现很多问题（如上图所示）；试根据你所了解的情况就“平衡车产品是否可以合法上路？”问题，给出你的意见与建议。
提示：可从“技术、安全、法律、可持续”等方面，有理有据地展开讨论。
参考书：
张晓华 《控制系统数字仿真与CAD》 (第4版) 机械工业出版社 2020
张晓华《系统建模与仿真》（第2版）清华大学出版社 2016
《控制系统建模与仿真》课程习题（2）
一、一阶直线倒立摆系统的建模问题
对于教材中图2-7所示的一阶直线倒立摆系统，基于牛顿定律所建立的数学模型（如教材的图2-8所示），试问：这个数学模型是否正确，给出你的分析与证明。
提示：（1）基于MATLAB仿真进行模型验证（参见教材第四章第三节）；
（2）应用“拉格朗日方程”方法建模，进行结果对比。
二、一阶直线双倒立摆系统的可实现问题
如下图所示的一阶直线双倒立摆系统，试问：能否通过控制力F实现“在保持两杆不倒的条件下，使小车在直线X方向的位置任意移动”？
提示：（1）建立系统数学模型；
（2）应用现代控制理论的“能控性定理”进行分析。
参考书：
张晓华 《控制系统数字仿真与CAD》 (第4版) 机械工业出版社 2020
张晓华《系统建模与仿真》（第2版）清华大学出版社 2016
控制系统数字仿真与CAD
电气工程学院
自动化
20090220
4-2．设典型闭环结构控制系统如图4-47 所示，当阶跃输入幅值R = 20时，用sp4_1.m （面向典型闭环系统的仿真程序）求取输出y(t)的响应。（h=0.2，Tf=10）
图4-47
解：用sp4_1.m 求解过程如下：
在MATLAB 语言环境下，输入以下命令语句
>> a=[0.016 0.864 3.27 3.42 1];
>> b=[30 25];
>> X0=[0 0 0 0]; %系统状态向量初值为零
>> V=2; %反馈系数v = 2
>> n=4;
>> T0=0;Tf=10;
>> h=0.2;R=20 ; %仿真步长h=0.2，阶跃输入幅值R = 20
>> sp4_1 %调用sp4_1.m 函数
>> plot(t,y)
运行结果为：
取仿真步长为h=0.01即：
>> h=0.01;R=20 ; %仿真步长h=0.01，阶跃输入幅值R = 20
运行结果为： 012345678910-3-2.5-2-1.5-1-0.50x 10125 30s+250.016𝑠4+0.864s3+3.27s2+3.42s+12 - y(t) r(t)
由以上运行结果可以看到仿真步长取h=0.2过大
附：sp4_1.m 函数为：
b=b/a(1);a=a/a(1);A=a(2:n+1);
A=[rot90(rot90(eye(n-1,n)));-fliplr(A)];
