第一章 控制系统计算机辅助设计概述

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1、控制系统仿真主讲：霍爱清薛定宇著《控制系统仿真与计算机辅助设计》第二版，机械工业出版社2011年6/18/20211第1章控制系统计算机辅助设计概述6/18/20212本章主要内容控制系统计算机辅助设计技术的发展综述控制系统计算机辅助设计语言环境综述仿真软件的发展概况MATLAB/Simulink与CACSD工具箱控制系统计算机辅助设计领域的新方法本书的基本结构和内容6/18/202131.1控制系统计算机辅助设计技术的发展综述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

2、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-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。6/18/20214控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视早在1982年12月和1984年12月，控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(Cont

3、rolSystemsMagazine)和IEEE学会的科研报告集(ProceedingsofIEEE)分别第一次出版了关于CACSD的专刊近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD软件频繁出现且种类繁多，MATLAB语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。6/18/20215MATLAB作为主要程序设计语言来介绍控制系统计算机辅助设计的算法，可以使读者将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

4、层重复性机械性劳动上，这样可以对控制系统计算机辅助设计技术有较好的整体了解，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。6/18/20216跟踪国际最先进的CACSD软件环境及发展，以当前国际上最流行的CACSD软件环境MATLAB为基本出发点来系统地介绍控制系统计算机辅助设计技术及软件实现，从而大大提高CACSD算法研究与实际应用的效率和可靠性，这是本课的一个主要目的。6/18/202171.2控制系统计算机辅助设计语言环境综述20世纪70年代：1973年美国学者Melsa教授和Jon

5、es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。6/18/20218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(KatsuhisaFuruta)教授主持开发的DPACS-F软件等。1980年美国学者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视图形交互式的模型输入计算机仿真环境S

6、imulink的出现为MATLAB应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。6/18/20219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。现在，MATLAB已经风靡了全世界，成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言。6/18/20211020世纪70年代末期和80年代初期出现了很多

7、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。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。6/18/202111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

8、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。6/18/202112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北京化工大学吴重光、沈成林教授的著作和程序6/18/2021