第五章 快速数字仿真法.ppt

第五章快速数字仿真法
前两章从数值积分和面向结构图的仿真两方面讨论了控制系统数字仿真的基本原理方法、方法和程序。这些方法用于对控制系统进行非实时的仿真研究有很大方便,尤其是在具备一些通用的仿真程序时,这些方法就显得更为方便。但在一般情况下,为了达到一定的计算精度,这些方法的计算量比较大,因此计算的速度受到一定的限制,往往在实际应用中,还不能满足实时仿真的要求。有必要寻找一些能加快仿真速度的方法。能解决这个问题的方法很多,但各有各的特点和局限性。
第五章快速数字仿真法
本章第一节到第三节介绍了三种常用的方法,以便根据情况选用。这些方法不仅在连续系统仿真时可以使用,也可以用于连续控制器在计算机上的离散实现。本章还在第四节介绍了计算机控制系统的仿真。
增广矩阵法
替换法
零极点匹配法
计算机控制系统仿真

一、基本思想
假定一个连续系统的状态方程为
()
这是一个齐次方程,它的解是
()
已知
可以证明:如果取前五项,则计算精度与四阶龙格-库塔法相同。这就是说,如果被仿真的系统是一个齐次方程,在选定计算步距为n以后,若只取的前五项,则有

()
由于都可以在仿真前计算出,所以()式所示的递推计算公式中右端的系数项可以事先求出,而仿真计算就变成每次只做一个十分简单的递推推算。
但是,实际的物理系统模型大多是一个非齐次方程,即
()
其中为系统的控制量,假定它是一个单输入系统。根据控制理论可知,()式的解为
t≥0 ()

显见,求解()式的非齐次方程时,它的解,除了一个自由项之外,还有一个强制项: 。由于的任意性,()式一般不容易求解。但是,对于某些特殊的输入函数,如果能将控制量增广到状态变量中去,使()式这样的非齐次方程,变成一个齐次方程()式,就可以避免计算复杂的强制项,而利用类似()式的计算方法。
二、典型输入函数时的增广矩阵
假定被仿真的系统为
()

其中A为维矩阵,即表示有n个状态变量。
(1) 阶跃输入时
设
则定义第n+1个状态变量为
故
可得增广后的状态方程即输出方程为

(2) 斜坡输入
设
则定义

因此,系统增广后的状态方程为
初始条件为

(3) 指数输入
设
定义
则有
故系统增广后的状态方程为

一个连续物理系统最常见的数学表现形式就是s域的传递函数。替换法的基本思想就是,设法找到s域(连续域)的某种对应关系,然后将中的变量s转化成变量z,由此得到与系统传递函数相对应的离散系统脉冲传递函数(脉冲传递函数即采样系统输出脉冲序列的Z变换与输入脉冲序列Z变换之比),进而获得进行数字仿真用的递推算式,以便在计算机上求解计算。