控制系统动态仿真实例教程

『壹』 控制系统仿真的方法有哪些

数学仿真
也称计算机仿真，就是在计算机上实现描写系统物理过程的数学模型，并在这个模型上对系统进行定量的研究和实验。这种仿真方法常用于系统的方案设计阶段和某些不适合做实物仿真的场合（包括某些故障模式）。它的特点是重复性好、精度高、灵活性大、使用方便、成本较低、可以是实时的、也可以是非实时的。数学仿真的逼真度和精度取决于仿真计算机的精度和数学模型的正确性与精确性。数学仿真可采用模拟计算机、数字计算机和数字-模拟混合计算机。

半物理仿真
采用部分物理模型和部分数学模型的仿真。其中物理模型采用控制系统中的实物，系统本身的动态过程则采用数学模型。半物理仿真系统通常由满足实时性要求的仿真计算机、运动模拟器（一般采用三轴机械转台）、目标模拟器、控制台和部分实物组成。控制系统电子装置和敏感器安放在转台上。 半物理仿真的逼真度较高，所以常用来验证控制系统方案的正确性和可行性，进行故障模式的仿真以及对各研制阶段的控制系统进行闭路动态验收试验。此外，用航天仿真器来训练航天员和用飞行仿真器来训练飞行员也属于半物理仿真性质，后者更着重于视景模拟和人机关系。以仿真计算机实现系统模型和以航天器计算机或控制系统电子线路为实物的闭路试验，也可认为是半物理仿真，这种仿真重点在于检验控制计算机软件的正确性或研究控制方式中某些功能和参数。 半物理仿真的逼真度取决于接入的实物部件的多寡、仿真计算机的速度、精度和功能，转台和各目标模拟器的性能。通常对三轴机械转台的要求是精度高、转动范围大、动态响应快和框架布置不妨碍光学敏感器的视场。半物理仿真技术是现代控制系统仿真技术的发展重点。

全物理仿真
全部采用物理模型的仿真，又称实物模拟。例如航天器的动态过程用气浮台(单轴或三轴)的运动来代替，控制系统采用实物。因为实物是安放在气浮台上的，这种方法很适合于研究具有角动量存贮装置的航天器姿态控制系统的三轴耦合，以及研究控制系统与其他分系统在力学上的动态关系。在对航天器姿态控制系统进行全物理仿真时，安装在气浮台上的实物应包括姿态敏感器（见航天器姿态敏感器）、控制器执行机构（见航天器姿态控制执行机构）和遥测遥控装置和有关的分系统。目标模拟器、环境模拟器和操作控制台均设置在地面上。航天器在空间的运动是由气浮台来模拟的，所以全物理仿真的逼真度和精度主要取决于气浮台的性能。对气浮台的要求是空气轴承的摩擦力矩和涡流力矩小，垂直负载能力和横向刚度大，气浮台动、静平衡好。全物理仿真技术复杂，一般只在必要时才采用。

『贰』 数控仿真的操作实例

FANUC 数控车床的仿真操作步骤：
1.打开仿真软件选择机床
打开VNUC数控仿真软件，进入VNUC主界面后，点选菜单栏 “选项/选择机床和系统”，进入如图 3所示选择机床对话框，选择“卧式车床/FANUCOiMate-TC”系统，则出现图 4所示控制操作面板，它与真实机床操作面板几乎一模一样。
2.开机回参考点
点按“系统电源”，点按并弹起急停按钮 ，则系统开机上电。
点按“回零”按钮，再按 (+Z)和 (+X)按钮，各轴原点指示灯变亮,即回参考点。
3.安装工件
首先在菜单栏中选择“工艺流程/毛坯”，出现对话框，在该对话框中选择“新毛坯”，出现对毛坯与夹具设置话框，按照对话框提示设置毛坯参数，选择夹具后确定，出现毛坯列表对话框；在毛坯列表中选择某毛坯并点选“安装此毛坯/确定”,出现调整毛坯位置对话框, 调整好毛坯在夹具中的位置后关闭即可。此时观察视图区可以见到工件毛坯被安装到夹具上。
4.安装刀具
在菜单栏中选择“工艺流程/车刀刀库”，出现所示刀具设置对话框，在此为所用各刀具选择刀具类型，设置刀具参数后确定。此时观察视图区可以见到各刀具“对号入座”，被安装到车床刀架上。
5.建立工件坐标系
假设工件坐标系原点建在工件右端面中心。
打开主轴正转，选工作方式为手动，分别移动X轴Z轴，平端面、车外圆用试切法对刀。
切削端面后，刀具沿X方向退离工件后，点按偏置/设置键 ，再点软键“坐标系”，调出工件坐标系设定界面，将光标移到G54的“Z”之后，在命令行输入“0”，再点选软键“测量”，系统即可自动计算并显示出G54坐标系Z零点的机床坐标值。
试切一段外圆，刀具沿Z方向退离工件后，在菜单栏选择“工具/选项/测量”，测量出毛坯的试切直径值。点选 键，在所示界面中，将光标移到G54的“X”之后，在命令行输入X的测量值，点软键“测量”，系统即可自动计算并显示出G54坐标系的X零点的机床坐标值。
此时G54工件坐标系建立完毕，在程序中用G54调用该坐标系即可。
6. 设置刀具偏置值
打开主轴正转，工作方式选择手动，分别移动X轴Z轴，平端面、车外圆对刀设置偏置值。以下是1号刀具的对刀过程：
点选键在出现的参数设置界面中，点选软键“补正”出现刀具偏置值设置或称补正界面；将光标移到“G 01”行X列，在命令行输入所测直径值，点软键“测量”，系统即可自动计算并显示出X方向刀具的补偿值，即完成了X方向刀具偏置值的设定。
切削端面后，刀具沿X方向退离工件后，在界面将光标移到“G 01”行Z列，在命令行输入 “0”，点软键“测量”，即可完成了Z方向刀具偏置值的设定。
7.编辑或上传NC程序
编辑程序：进入编辑状态，再点选键，出现编辑程序界面，在该界面用MDI键将程序指令先输入缓冲区，然后点 (INSERT)键插入即可。程序段可以单独输入，也可以几个程序段一起输入，但是段与段之间要有“；”隔开（点“EOB”键）。如果在输入程序于缓冲区时发现错误，点按 （CAN）可以消除光标前面的字符。在已经插入的程序中发现错误字符，点 （DELETE）键可以删除；输入正确的程序字，再点 （ALTER）可以替换错误的字符。
上传NC程序:点选 键进入编辑状态，再点选 键，然后在菜单栏选择“文件/加载NC代码文件”，出现图 15浏览磁盘界面，寻找并双击找到的程序文件（此文件路径是个人设置的），该程序将自动出现在显示窗口中。
8.程序校验：点工作方式键为“自动” 、“机床锁住”，然后点按“循环启动”，则主轴旋转，进给运动锁住，坐标值动态显示。根据坐标值的变化情况检查刀具运动轨迹是否正确，据此修改程序。校验结束后解除“机床锁住”，确认程序无误可以进行下一步。
9.自动加工
编辑或上传NC程序，检查主轴转速和进给速度倍率旋钮无误后，点按“循环启动”按钮，机床开始自动加工。

『叁』 预测控制之动态矩阵控制（dynamic matrix control）及仿真（附matlab代码）

本文旨在以更简洁明了的方式介绍动态矩阵控制（DMC）及其仿真，针对初学者简化教科书中的DMC算法数学表达。DMC是模型预测控制（MPC）领域中具有代表性的算法，其核心在于利用系统的阶跃响应模型。

首先，我们从阶跃响应角度解释DMC的基本原理。假设在时刻$t$发生阶跃变化1，数学上表示为除$t$时刻的输入为1外，其他所有时刻的输入均为0。通过将输出$y$的阶跃响应记为向量$y_1$，我们得到一个离散系统的响应。系数$a$对应输入变化$\Delta u$引起的输出变化幅度$\Delta y$。这一关系解释了任意时刻的输入变化如何在特定时间内影响输出。

接着，我们探讨DMC预测输出的构建过程。预测时域长度设为$N$步，预测未来输出$y_{N+1}$时，需要综合考虑当前输入$u$和未来输入$\Delta u$。将预测输出写为紧凑矩阵形式，即考虑历史输入和未来输入的相互作用，以此预测未来输出。

历史输入的影响不容忽视，我们需要确定合理的窗口大小。理论建议从预测的开始时刻取一定步数的历史输入，这样可以确保历史信息的有效利用。根据阶跃模型，预测输出$y$都是相对于历史输入的变化量，这有助于理解输入如何影响未来输出。

在理解了基本原理后，我们进入DMC的求解过程。DMC算法通过解决二次型优化问题来确定控制输入，以最小化预测输出与设定值之间的差异。优化问题具有解析解，使得在线应用时只需计算得到的控制输入，并进行滚动优化。

为验证DMC的有效性，我们提供了几个仿真例子。在第一个例子中，设定值从1逐步变化至-2，观察控制输入如何适应设定值的变化。增大权重系数后，控制输入变得更加平滑，这反映了算法对设定值变化的响应更为温和。减小预测步长$Np$导致控制效果变差，说明预测步长与系统响应延迟有关，过小的预测步长无法有效捕捉系统的动态特性。同样，增加预测步长$Np$也引发了控制效果的下降，这与历史输入窗口变短有关，延长历史输入长度可以消除此负面影响。

最后，附上了用于实现DMC仿真的MATLAB代码，但由于代码的实现方式较为复杂，通常建议使用Simulink+S-function进行闭环仿真，但此处无法提供完整的代码示例。