[工学]第四章 面向结构图的数字仿真法

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1、第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法 对一个控制系统进行研究，其中一个很重要的问题就是考察系统中一些参数改变对系统动态性能的影响，面向微分方程的仿真方法很难得到这一点。这主要是由小回路的传递函数得到的全系统大回路的传递函数之间的参数对应关系将变得非常复杂。其次，将复杂系统中诸多小回路化简求出总的系统模型也是十分麻烦的，更何况对于非线性系统，或难以用非数学模型描述的系统，则无法找到系统的总的闭环模型。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法 本章介绍两种由一些典型环节构成的复杂系统仿真的方法。在这类仿真程序中，先将仿真这些典型环节特性的仿真子程序编制好；在

2、仿真时，只要输入各典型环节的参数以及环节间的连接关系的参数便可以作系统的仿真。这就是面向结构图的数字仿真法，它可以解决上述困难，且具有一些优点：第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法1.很容易改变某些参数环节，便于研究各环节参数对系统的影响。2.不需要计算出总的传递函数，并且可以直接得到各个环节的动态性能。3.系统中含有非线性环节时也比较容易处理。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法本章内容：第一节介绍面向结构图仿真各典型环节仿真模型的确定。第二节介绍面向结构图模型离散相似法仿真的方法。第三节介绍对于含有典型非线性环节的处理方法。第四节介绍连续系统结构

3、图仿真方法、程序的编制及应用。4.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定n在第二章第四节中已经介绍了状态方程离散化的方法，即对一个状态方程加入虚拟的采样器和保持器，当采样频率合适时则可实现信号重构。面向结构图仿真方法其基本思想就是将结构图化简为各个典型环节组成，然后在各个典型环节前加入虚拟的采样器和保持器使各环节独自构成一个便于计算机仿真的差分方程。本节就是求出个典型环节对应的离散状态方程得系数矩阵 ，即 。1.积分环节n积分环节如图4.1.1所示，其传递函数可写为 (4.1.1)(),(TTm)(TmSasUsYsG0)()()(4.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定

4、状态方程为 (4.1.2)根据(2.4.9)式可得 图4.1.1 积分环节结构图 其中 。离散状态方程为 (4.1.3)xyuax02000)(0000)()()(1)(TaBdBdeTTadaBdeTeTTTtTAmTTtTAmAt)1()1()0()0()()()()1(200nxnyyxnuTanTuanxnx0;0aBA4.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定 2.比例积分环节n比例积分环节如图4.1.2所示。显见，状态方程与积分环节一致，不同的是输出方程、传递函数可写为 (4.1.4)n其中：，。n根据(2.4.9)式，比例积分环节的状态方程和输出方程可写为 (4.1.4

5、)图4.1.2 比例积分环节结构图 100)(aasabsdscsGbca 0cda 1uaaxyuax1004.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定n显见，同积分环节一样，仅离散状态方程中的输出方程与(4.1.3)是不一样。即(4.1.6)3.惯性环节n惯性环节的结构图如图4.1.3所示，其传递函数可写为 (4.1.7)(),(TTm)(Tm)1()1()1()0()0()(21)()()1(10200nuaanxnyyxnuTanTuanxnx10)(asabsacsG4.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定其中:,环节的状态方程和输出方程为 (4.1.8)图4.1

6、.3 惯性环节结构图根据(2.4.9)式，其差分方程的各项系数为bca 0baa 1xyuaxax01taeT1)()1)()(11100)(0TaTTameaadeaT4.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定离散状态方程为(4.1.9)4.比例惯性环节n比例惯性环节的结构图如图4.1.4所示。传递函数可写为 (4.1.10)其中:,。)1)()()(11210100)(0TaTTameaaTaadeaT)0()0()1()1()()()()()()()1(yxnxnynuTnuTnxTnxmm11200)()(asaaaabsadscsGbda 0baa 1dca 24.1 典型

7、环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定n状态方程为 (4.1.11)图4.1.4 比例惯性环节结构图n显见状态方程与惯性环节一样，故 （T），m（T），m（T）的计算也一样，仅输出方程不一样，故得离散状态方程为 (4.1.12)uaxaayuaxax01201)()0()()0()1()1()()1()()()()()()()1(012ydcxnuanxaanynuTnuTnxTnxmm4.1 典型环节仿真模型的确定典型环节仿真模型的确定n处理上述几种典型环节外，常用的还有二阶环节 ，它可由图4.1.5所示结构组成。图4.1.5 二阶环节等效结构图n可见高阶环节均可用前述几种典型环节获得。2

8、120)(asasabsG4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n面向结构图模型的离散相似法仿真除了需要建立典型环节的差分式外，还需要建立能描述系统连接方式的方程。在上一节的基础上，本节将进一步介绍系统连接矩阵的建立和面向结构图模型的离散相似法仿真方法以及计算程序的实现。一、连接矩阵n上一节，介绍了环节离散化方法以及所得到的差分方程模型的形式。但这仅仅表示了各个单独环节输入和输出之间的关系。为了实现面向结构图离散相似法仿真，还必须把这些环节按照系统结构图的要求连接起来、以保证正确的计算次序。设系统的第 个环节输入、输出分别用 表示，为系统的外部输入量，则 i),.,2,1(,niyu

9、ii0y4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真(4.2.1)n可把(4.2.1)式写成 (4.2.2)式中 是一个 维长方矩阵。这是把表示输入信号与系统连接情况的 矩阵放在原连接矩阵的第一列，也就是n 001yWyWUWYyyWWU010nnnnnnWWWWWWWWWW1022120111100W)1(nnW4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真 表示第 个环节输入之间的连接方式。n 而 是一个 的列矢量，。例如，有一系统如图4.2.1所示。如果已知各环节的传递函数，则很容易将其离散化，各个环节的输入输出关系为 (4.2.3)(4.2.4)ijWjY1)1(nTnyyyyY

10、210432104321 00100001001001001001yyyyyuuuuYWU4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真 图4.2.1 系统结构图 二、仿真程序的设计n把不同类型环节的离散系数的计算分别编成子程序。在程序中引入一个标志参数 ，表示该典型环节的类型，假设一个通用程序只包括下列四种典型环节，且 与典型环节对应关系如下n当 =0时，表示第I个环节为积分环节 。n当 =1时，表示第I个环节为比例积分环节 。n当 =2时，表示第I个环节为惯性环节 。n当 =3时，表示第I个环节为比例惯性环节 。)(IH)(IH)(IH)(IH)(IH)(IHscbsdsc bsacbs

11、adsc4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n由前述可知，对于 =0和 =1两种典型环节，计算状态变量的公式相同，只是它们输出变量计算公式不同。而同样对于 =2和=3的典型环节，也是计算状态变量的公式相同，仅仅是输出方程不同。在步长取定后，典型环节的离散（T），m（T），m（T），图4.2.2 仿真流程图)(IH)(IH)(IH)(IH4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n就仅是典型环节的参数（时间常数、放大增益）的函数，可以预先根据典型环节的类型分别编成子程序，仿真时即可根据 方便地调用。n系统的连接情况，仍用连接矩阵W来描述。n面向系统结构图离散化仿真的工作流程图如

12、图4.2.2所示。n按系统的典型环节离散化仿真，其主要优点是：（1）各个环节的离散状态方程系数计算简单，而且可以一步求出，不像龙格-库塔法那样，每一步都要重新计算龙格-库塔系数，因而计算量相对来说较小。（2）由于各个环节的输入量 ，输出量 每一步都可求出，所以很容易推广到含有非线性环节的系统仿真中去。)(IHiuiy4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n 该方法的主要缺点是计算精度低。因为每个环节的输入实际上都是使用了它们的近似值（举行近似或梯形近似），故仅有一阶或二阶精度，这会带来计算误差，而且环节越多，误差越大。这一点下面还将进一步分析。另外，需要指出的是，当输入采用梯形近似法

13、时，需要用到 来求取 ，这通常是难以办到的。于是在仿真中有时只得采用简单的向后差分的方法来计算 即 。由于 本来的定义是表示在 区间输入信号的平均变化速度，所以用向后差分的方法来计算 实际上使用前一个周期 的输入信号的平均变化速度来近似代替周期 的输入信号变化速度，相差一个采样周期。这显然会使计算误差增大。)1(nu)(nu/)()1()(Tnununu)(nu Tnununu/)1()()()(nu nTTn)1()(nu Tn)1(nTnTTn)1(4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真三、仿真算例及分析n用该程序求某四阶系统（结构图见图4.2.3）在阶跃函数作用下的过渡过程。图

14、4.2.3 四阶系统结构图n首先，确定典型环节类型和环节编号，本例从左到右顺序排号，第一块类型号 ，第二块类型号 ，第三块类型号 ，第四块类型号 根据图4.2.3所示可写出连接矩阵为3)1(H0)2(H2)3(H2)4(H4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n根据经验公式 ，大约可达到0.5%左右的精度，为系统开环频率特性的剪切频率。在此例中，因此可选。输入数据有01000001000001010001WcT)5030(1c1csTc02.0033.0)5030(14.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n环节序号 初始值 初始值 1 1 1 0 0 2 0 1 1 0 0

15、 0 3 1 0 0 0 4 1 0 0 0n连接矩阵abcdxy1a1b3a3a4a4a01000001000001010001W4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n仿真参数 采样周期 仿真时间 打印、显示时间 间隔输出环节号1 0.01 10 1 1n输入以上三组参数后，便可在计算机上仿真。四、采用补偿器提高模型精度和稳定性的方法n系统的离散化过程，就是在连续系统中加入虚拟的采样开关和保持器。由于保持器不可能完整无误地将连续信号重构出来，因此必然会产生仿真误差。一般来讲，采样间隔越大，仿真的误差也就越大。为了减少误差，很自然地就想到是否能在这个仿真器中模型中加进校正补偿环节。

16、一般所加入的补偿 4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n器应尽可能好地抵消经过采样-保持器所造成的失真，补偿器常常采用超前的 的形式，其中 可以根据实际情况选取。整个仿真模型如图4.2.4所示。n下面以积分环节为例来说明这种方法的基本原理。n假定 ，则按图4.2.4所示构成的仿真模型的 为 (4.2.5)图4.2.4 加校正的数字仿真模型 sTe,ssG1)()(zG)1(1)(2seZzzseseZzGsTsTsT4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n对 做一次近似，即去 (4.2.6)n则(4.2.5)是变成 (4.2.7)n写成差分方程 (4.2.8)n选择不同的

17、 ，可得各种不同数值及分公式。比如sTeTsesT 11)1(1)1()1(1)1()(22zzTzTzzTzzzssTZzzzG)1(11nnnnuuTyy和4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n选 ，则有 欧拉公式n选 ，则有 梯形公式n选 ，则有 超前欧拉公式。n在梯形公式及超前欧拉公式都有 项，一般它是未知的，在计算 时只知道 。为此，可以先对输入信号加一拍延滞，然后再加大 ，补偿这种延滞所造成的误差。如图4.2.5所示，则有 (4.2.9)(4.2.10)111021111nnnTuyy)(211nnnnuuTyynnnTuyy1nyny1ny1)1()(1zzTsG)1

18、(11nnnnuuTyy4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n选 ，根据(4.2.10)式可得 (4.2.11)n这就是亚当斯公式。图4.2.5 补偿延滞造成的误差n由于 ，可调，故将(4.2.8)及(4.2.10)式称为可调整的数值计分共识。把这种方法用于复杂系统的快速仿真，就可以得出允许较大步距、又有一定精度的仿真模型。通常将这种方法称为可调的数值积分法。132)3(2211nnnnuuTyy4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n当将这种方法用于复杂系统时，为获得仿真模型，其基本步骤是：（1）在系统的输入端加虚拟的采样器及保持器，然后加 上补偿环节，如图4.2.4所

19、示。（2）求出该图所示的离散化系统的脉冲传递函数 ，并列出它的差分方程，这就是仿真模型。（3）用高阶的龙格-库塔法计算该系统的相应，将它作为一个标准解，然后给出不同的 ，计算仿真模型的响应，并将它与标准解进行比较，直到误差达到最小为止。)(zG4.2 结构图离散相似法仿真结构图离散相似法仿真n利用上述步骤仅仅是计算出了系统的输入量y。如果不仅对y感兴趣，而且对于系统中的其他变量也有兴趣，那么就必须将系统分成几个部分，每部分都要加虚拟的采样器及保持器。至于校正补偿环节则按一般系统的校正原则，可以对每一个小闭环加一个 。调整时，一般是先调外环的。调整的目标是要求所获得的仿真模型在较大的计算步距时仍

20、能最好地与实际模型相接近。，地选取可采用第六章所介绍的参数寻优程序来确定。sTe4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真n在本章的上一节中曾提到，利用离散相似法编制的仿真程序虽然精度低，但是却可以十分方便地推广应用到这类非线性系统中去，其主要原因是在仿真计算程序中，每走一步，各个环节的输入量及输出量都将重新计算一次。因此非线性环节子程序很容易加入到仿真程序中去。下面首先介绍典型的非线性环节的仿真。一、非线性环节仿真子程序一、非线性环节仿真子程序 1.饱和非线性n完成图4.3.1所示饱和非线性特性输入-输出之间的仿真程序，可采用图4.3.2所示的仿真流程图，并相应地编制子程序在使用中调用。

21、4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 图4.3.1 饱和非线性特性 图4.3.2 饱和非线性仿真程序流程图4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 2.失灵区非线性n图4.3.3所示的失灵区非线性特性输入-输出之间的仿真流程图如图4.3.4所示。图4.3.3 失灵区非线性特性 图4.3.4 失灵区非线性仿真程序流程图 4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真3.齿轮间隙(磁滞回环)非线性(图4.3.5)n设 为上一次的输入，为上一次的输出。若当 0时，且 ，则 =即，若只满足前一个条件，而不满足后一个条件，则是工作在由左边的特性过渡到右边的特性上。图4.3.5 齿轮间隙非

22、线性特性）（入mu0）（出mu0）（入mu0）（出mu0）（出mu0）（入mu0）（出mu0）（入mu01C1C4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 图4.3.6 齿轮间隙非线性仿真程序流程图 4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真n若当 0时，且 +，则 =+其他情况，=，即输出维持不变，正好在走间隙这一段。程序流程图见4.3.6。二、含有非线性环节的离散相似法仿真程序的计算方法二、含有非线性环节的离散相似法仿真程序的计算方法n当系统中有上述典型环节时，本章第二节讲的离散相似法仿真程序要作如下修改：(1)对每个环节要增设一个参数 ，表示第 个环节的入口或出口有那种类型的非线

23、性环节。(2)对每个环节要增设一个参数 ，表示第 个环节的入口的那个非线性环节的参数 ，当第 个环节入口没有非线性时，=0。）（入mu0）（出mu0）（出mu0）（入mu0）（入mu0）（出mu0）（出mu0）（出mu1C1C)(IZIII)(ICiC)(IC4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真n因此在输入数据时，对于每一个非线性环节都要同时送 ，8个数据。其中 ，为线性环节 的系数，的含义为：=0 表示该环节前、后无非线性环节。=1 表示该环节前有饱和非线性环节。=2 表示该环节前有失灵区非线性环节。=3 表示该环节前有齿轮间隙非线性环节。=4 表示该环节后有饱和非线性环节。)(I

24、A)(IB)(IC)(ID)(IY)(IX)(IZ)(IS)(IA)(IB)(IC)(IDsBAsDCXYiiiiii)(IZ)(IZ)(IZ)(IZ)(IZ)(IZ4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 =5 表示该环节后有失灵区非线性环节。=6 表示该环节后有齿轮间隙非线性环节。n 的意义可以参见图4.3.1，图4.3.5所示的非线性参数。(3)一个完整的面向结构图的离散相似法仿真程序框图如图4.3.7所示：)(IZ)(IZ)(IS4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真三、非线性系统仿真举例三、非线性系统仿真举例n有一个四阶非线性系统仿真结构图如图4.3.8所示。试分析：当

25、阶跃输入 时：无非线性环节；非线性环节为饱和特性（见图4.3.1），且 ；非线性环节为失灵区特性（见图3.3.3）,且 ，这三种情况下的系统输出响应，并分析结果。n第一步：确定系统各个环节号。本例除第一个环节前有非线性环节外，其余都为线性环节。n第二步：根据图4.3.9所示写出连接矩阵为10u51c11c432104321yyy 01000001000001010001yyuuuu4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 图4.3.7 离散相似法仿真程序框图 4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 图4.3.8 四阶非线性系统结构图 图4.3.9 四阶非线性系统仿真框图4.3非线

26、性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真n第三步：运行程序根据提示输入数据。输入的数据有：（1）各环节参数，按第二种情况考虑，非线性环节为饱和特性，即 0.1 1 0.5 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 1 2 0 0 0 0 10 1 10 0 0 0 0（2）输入连接矩阵数据，即)(iA)(iB)(iC)(iD)(0iu)(0iy)(iZ4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真（3）输入仿真参数。根据经验公式 ，采样周期按各环节最小的时间常数的选取，本例中最小时间常数为0.1，故采样周期选为0.01。仿真时间去10s，且观察第1号、4号环节输出，因此仿真参数输入时如下：0

27、1000001000001010001W1014.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真 采样周期 仿真时间 打印、显示时间间隔 输出环节号 0.01 10 1 1，4n第五步：结果分析。将以上三组数据输入到仿真程序中，运行后可得到数据结果。通过该程序的仿真结果，可以分析系统中典型非线性环节对系统的影响。1.饱和非线性对系统过渡过程的影响n当自动控制系统中（非条件稳定系统）存在饱和元件时，此时系统的稳定性将变好，而快速性将变坏，也即超调量将减小，而过渡过程时间增加。这与自动控制原理理论分析结果相同。4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真2.失灵区非线性对系统过渡过程的影响n根据调解

28、原理分析可知：若系统中具有失灵区非线性环节，那么系统的动态品质将变坏，而对稳定性影响不大。其原因是：(1)由于有失灵区，在过渡过程的起始段，相当于减小了系统的开环增益，故过度过程变缓。(2)当输入量接近稳定时，放大器处于稳定区，系统处于失控状态，控制作用为零，故超调量将略微增大。(3)由于放大器有失灵区，故在过渡过程中有尾部，系统也处于失控状态，因此将出现一个很长的尾巴。即从系统进入失灵区到输出量进入稳态值区（5%），输出量变化十分缓慢。4.3非线性系统的数字仿真非线性系统的数字仿真3.齿轮间隙非线性对系统的影响n由于存在齿轮间隙，当系统的输出值超过稳态值时，因系统有反向调节的趋势，输出将维持

29、不变一直要等非线性环节的输入 走完间隙时输出才能下降。而当输出值反向偏离稳态值时，系统邮政向调节的趋势，输出又将维持不变，一直要等非线性环节的输入 走完间隙时输出才能回升。其结果，系统将会在稳态值附近以某一幅度和频率进行震荡，即系统始终在一个极限环内运动，而无法稳定下来。uu4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序4.4.1 CSSF程序包简单介绍程序包简单介绍n本节将介绍一个面向结构图的数字仿真程序包CSS(Continuons System Simulation)。该程序包是1981年5月引入我国的。该程序包首先被移植在国产的DJS-130机上，后因BASIC语言运行速度

30、太慢，国内有关单位将该程序包翻译成FORTRAN语言，并对原程序作了大量的修改和补充，取名为CSSF，ZFX等。nCSSF仿真程序包的主要特点：(1)配备了多种积分方法。例如，定步长龙格-库塔法、边步长梅森法、定步长汉明法等。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 (2)可以面向多种形式的数学模型。例如，状态方程，一阶及二阶传递函数，n阶传递函数或微分方程，对所有这些原始方程，只需直接输入系统，不必进行交换。(3)增加了延迟、微分、一元及二元函数发生器等。(4)增加了采样系统仿真功能，并且有参数优化模块。(5)具有非线性两点边值自动求解功能。nCSSF程序包提供了约40种不

31、同类型的运算块，包括模拟机中的积分器、比例器、三角函数、对数、乘法、除法以及各种非线性函数运算模块，故一套CSSF程序包的计算功能相当于一台的大型模拟机。除此之外CSSF程序包还包括几块用户自定义块意识和用户的特殊需要。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n用CSSF进行仿真的最大优点就是使用方便。用户只需将仿真系统转化成程序包所含有的运算功能块所组成的仿真结构图，启动程序包，按指定的方式输入个功能块的编号、类型参数、连接方式，以及积分步长、仿真时间等参数，就可以得到仿真结果。n4.4.2 Micro-CSS仿真程序仿真程序n可以说，CSSF仿真程序是一种功能全、性能高的

32、程序包，可用于大型、复杂的连续或采样系统的仿真，但该程序包的结构复杂。Micro-CSS（MCSS）是CSS的微型化，它是用BASIC语言编写的。基本的MCSS约有80条语句，而扩展MCSS约有200条语句，并采用C语言编写。它包括了CSS程序包的主要内容，并且参数的输入风格也与CSS相同，故通过MCSS程序的学习，也可解剖CSS的结构，并掌握CSS的使用方法。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序nMCSS仿真程序共有十七种函数功能块，且为用户提供了方便的扩展方式。仿真最大块数定义为200块，也可根据机器内存将其扩展。MCSS仿真程序具有自动排序功能。其功能块名称见表4.

33、4.1。每一功能块用一种型号表示，例如，1型为常数快；2型为比例加法块；3型为积分器；13型为采样控制器模块等。用户使用时，首先要设定系统中每一功能块的顺序号（不是类型号），顺序号的编号可由用户自定，但最大号数不能超过200。实际运行次序有仿真程序在运行前自动排列。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 表4.4.1 MCSS仿真程序模块名称和功能 类型 名称 符号输入输出之间的函 数关系1常数块2比例加法器3比例微分器4延迟环节块11PC 3423121PCPCPCCdtPCPCCPCT)(34230211)(121PtCC4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图

34、仿真及程序5正弦函数块6余弦函数块7乘法器8反号器9反正切函数10除法器)sin(21CC)cos(21CC 321CCC 21CC21arctanCC 0,/3321CCCC4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序11开关模块12时间输入13采样控制器模块控制器系数采样周期81802881188110,1)()()(bbaaPzbzbzazaazDzuzytC 10024231CCCCC4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序14理想继电器15失灵区特性16包和特性17间隙特性4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序4.4.3 MCSS仿

35、真程序的使用方法仿真程序的使用方法n下面结合具体例子说明构成MCSS仿真图的方法、系统参数、连接情况，以及仿真参数的输入方式。n例例4.4.1 有一个二阶系统，其微分方程如下：初值：，。试画出仿真结构图，并写出仿真数据。n解解 1.仿真图构成方法 由于原微分方程可改写为 1)(1.0)()(tytyty 0)0(y0)0(y)(1.0)(1)(tytyty 4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 故可由积分器、常数块构成如图4.4.1所示的仿真图，并在仿真图上方标出顺序号。2.各功能块连接方式输入数据n各功能块连接方式输入数据的格式为 DATA I，16,J，K,L 其中

36、I-功能号顺序号；16-功能号类型号；J-同第1输入端 连接的模块号；K-同第2输入端 连接的模块号；L-同第3输入端 连接的模块号。)(2C)(3C)(4C4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 这部分数据输入结束时，用全零行表示，即 DATA 0,0,0,0,0 本例的数据格式为10 DATA 1，1，0，0，012 DATA 2，3，1，3，214 DATA 3，3，2，0，016 DATA 0，0，0，0，0 3.参数部分数据输入 n参数部分数据输入的格式为 图4.4.1 例4.4.1的仿真结构图 4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 DATA

37、 I，n其中：I功能块顺序号 ，各功能块的参数 ，这部分数据输入结束时，同样用全零行表示。n注意：积分块（3型功能块）的第一参数输入为初始条件数据。当某一功能块中 ，三个参量都没有时，可以不输入该块的数据。例如，正弦函数块、余弦函数块、乘法器等。n本例的数据格式为)1(Y)1(Y)2(Y)2(Y)3(Y)3(Y1P2P3P1P2P3P4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 60 DATA 1，1，0，0 62 DATA 2，0，-0.1，-1 64 DATA 3，0，0，0 66 DATA 0，0，0，04.仿真控制数据输入n仿真控制数据输入的格式如下：80 DATA D，

38、T1，T2，K1，K2，K3，K44.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n其中 D积分步长；T1仿真时间；T2打印、显示时间间隔；K1K4输出量所在模块。n本例中，如果设计步长为0.1s，仿真时间为10s，每秒显示一次，输出量为，则数据格式为90 DATA 0.1，1，3，2，0，0n 其输出结果如下：4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 TIME OUTPUT3 OUTPUT2 OUTPUT0 OUTPUT0 0 0 0 0 00.999 996 0.365 040 3 0.721 808 0 01.999 999 1.103 401 0.811 5

39、73 8 0 02.999 998 1.932 805 0.830 502 8 0 03.999 997 2.743 704 0.785 397 5 0 04.999 996 3.496 954 0.719 563 2 0 05.999 995 4.181 771 0.650 230 8 0 06.999 994 4.798 479 0.583 958 2 0 07.999 993 5.351 465 0.522 966 2 0 09.000 016 5.846 339 0.467 740 8 0 04.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n例例4.4.2 设有一非线性系统如

40、图4.4.2所示，求其响应 。图4.4.2 例4.2.2系统结构图)(ty4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n解解 首先画出其仿真结构图，如图4.4.3所示。图4.4.3 例4.2.2系统仿真结构图 1.04.011.05.0sss4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n数据文件为 10 DATA 1，1，0，0，0 12 DATA 2，2，1，8，1 14 DATA 3，16，2，0，0 16 DATA 4，3，0，3，0 18 DATA 5，3，4，5，0 20 DATA 6，3，5，6，0 22 DATA 7，3，0，6，7 24 DATA 8

41、，2，6，7，0 26 DATA 0，0，0，0，0 50 DATA 1，1，0，04.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 52 DATA 2，1，-1，0 54 DATA 3，1，-1，0 56 DATA 4，0，4，0 58 DATA 5，0，-2，0 60 DATA 6，0，-10，0 62 DATA 7，0，0.4，-0.1 64 DATA 8，1，1，0 66 DATA 0，0，0，0，0 90 DATA 0.01，5，0.5，8，0，0，04.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n其输出结果为 TIME OUTPUT3 OUTPUT2 OUTP

42、UT0 OUTPUT0 0 0 0 0 00.499 999 8 2.753 746E-02 0 0 00.999 999 3 0.110 005 2 0 0 01.499 999 0.226 193 0 0 01.999 998 0.366 024 2 0 0 02.499 998 0.525 232 6 0 0 02.999 998 0.701 728 2 0 0 03.499 997 1.101 851 0 0 04.500 008 1.323 749 0 0 04.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序4.4.4 MCSS仿真程序分析仿真程序分析n为了方便读者进一步该程

43、序的使用方法和应用范围，并熟悉变成技巧，本节对该程序的组成及功能作更深入的分析和说明。nMCSS程序共有以下四部分组成：(1)输入数据块；(2)自动安装模块顺序块；(3)运行程序快；(4)输出打印块；4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n该程序编排紧凑，有些块又是相互交叉进行的。图4.4.4为MCSS仿真程序流程图。n下面分别说明以上四部分程序。1.输入数据块n这部分主要有读语句组成，输入的数据有三部分，按先后顺序为 (1)连接方式数据：I，16,J，K,L (2)典型块参数数据：I，(3)仿真控制数据：D，T1，T2，K1，K2，K3，K4 4.4连续系统的结构图仿真及

44、程序连续系统的结构图仿真及程序n其中（1），（2）两类输入数据结束标志为零。数据段可放在程序的前部或后部，但三部分数据的次序不能改变。n在编程时考虑到程序的紧凑，故将这部分插入在其他部分之中。在读数据的同时为了后一部分排序的要求，计算机自动检查仿真系统中积分块、常数块、延时块的个数即编号。安排方式如表4.4.1所示。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 表4.4.1 三类特殊模块的编号类型数目编号延迟块N4ID(N4)积分块N9V(N9)常数块N8N(N8)4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序2.自动安排各模块计算顺序n这一段程序的主要功能是编排各模

45、块计算顺序并赋予顺序号。用户在完成仿真结构图后，先要给你一个计算顺序，即编号。至于这一顺序号是否合理，程序会自动进行判断，并作出合理安排。前排的原则是，该模块的三个输入信号是否已有确定值，若无，则这一模块必须排在以后计算。但有三种类型块例外：常数块(1)、积分块(3)、和延迟器(4)。它们的输出值可由给定的参数和初始值来确定，不必依赖于输入值。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序图4.4.4 MCSS流程图 4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n在进入这段程序以前，除了常值信号源外(因为它们不必计算，故没有安排计算顺序的必要)，其他运算块的类型代码(

46、程序中用U(I，1)表示)，均为负值，以表示尚未安排好的顺序。程序根据用户编号顺序从小到大检查类型代码U(I，1)的符号，如果U(I，1)为负，就开始检查该块的三个输入端信号是否都有确定值，即检查三个输入信号是否来自延迟、积分、常数或已安排好的功能模块的输出。如果三个输入均满足上述情况之一，即可安排该块的计算顺序并编号，且将类型代码U(I，1)取正值。该块的流程图如图4.4.5所示。其中，N7为环节总数目；N()位数组存放排好的计算顺序；I，K，L1为该子程序用到的变量。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 图4.4.5 自动排序模块流程图 4.4连续系统的结构图仿真及程

47、序连续系统的结构图仿真及程序n下面用一个例子来说明MCSS程序中各模块计算顺序自动安排的过程。n例例 4.4.3 有一方程如下 设初始条件为 试分析计算机排序的方法和结果。n解：解：首先将方程改写为 n用上式可画出仿真结构图。先对仿真结构图中各模块任意编号。如图4.4.6 所示。0)()()1()(2tytyyPty 0)0(y0.1)0(y)()()()()(2tytytPytyPty 4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 图4.4.6 例4.4.3仿真结构图 4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n程序先按用户编号1号开始检查，因为1号比例器只有第

48、3输入端是确定的，其余两个未定，所以不能列为第1号。接着检查第2号，由于2号积分器的输入端需要1号提供，故也不能列为第1号。而3号积分器的输入端由2号积分器的初始值便可确定，故列为第1号。这样反复检查，最后得到的计算顺序为 345612n显然这种计算顺序并非唯一，它和用户编号顺序有关。若把原用户编号作如下改动，即 13，24，35，41，52，664.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n则计算顺序为 125634n虽然顺序不同，只要确定正确无误，那么其计算结果完全相同。3.运行程序块n该段主要包括（1）运行准备：指针 A 龙格-库塔法系数；B 典型块运行控制。（2）典型块计

49、算，目前MCSS仿真程序共有17种典型块，且程序为用户提供了方便的备用模块入口地址，以适应特殊需要。另外程序为了突出简单，积分方法只选择了四阶龙格-库塔法。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序4.输出数据块nMCSS仿真程序追求的是简单，故输出数据的方式很简单，只有三条语句为数据输出语句。每次运行最多可将4个模块的数据输出。4.4.5 代数环问题n在连续时间系统面向结构图仿真中，完全可能出现这种情况，即计算机无法对所有的环节进行排序。换句话说，在系统的仿真结构图中，可能存在一些环节无法安排计算顺序。这种情况我们称系统的仿真结构图出现了代数环。这是需要特别注意的问题，因为这

50、时，系统将不可能进行仿真计算。所谓的代数环就是在系统的仿真结构图中出现了纯粹是有代数环节构成的闭环回路。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n例例 4.4.4 考虑下面方程所描述系统的仿真 n解：我们首先画出系统的仿真结构图，如图4.4.7所示。22xyyyxyx4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序 图4.4.7 例4.4.4的仿真结构图4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n对图4.4.7分析，可以发现由于模块2无法确定计算顺序，导致模块3、模块4、模块5和模块7也无法确定计算顺序，也这是模块7无法确定计算顺序，有导致模块2无法

51、确定计算顺序。这就是说仿真结构图出现代数环，即由模块2、模块4和模块7形成一个封闭环，在该封闭环内没有动态环节，而仅有一些代数环节组成。或者也可以这样说，如果某环节的输出仅仅经过代数运算就反馈到该环节的某个输入，则就构成一个代数环。n代数环的解决方法很多，可以根据被仿真对像的具体情况来定。在SimuLink里面，采用了Newton-Raphson技术来求解代数环。由于这种方法利用的是迭代优化，因此存在计算时间长，甚至找不到解的可能性。在此我们介绍两种比较实用的方法。4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n 如果系统的仿真结构图比较复杂，并且计算步长也较小，可以在代数环上的任

52、意一个地方增加一个一步延时环。这种方法比较简单，并且有效。n 如果系统的模型不是特别复杂，可以将模型重写为一个标准的一阶微分方程组，例如例4.4.4的系统可以重写为)2(12)2(1122xyyyyxyyx4.4连续系统的结构图仿真及程序连续系统的结构图仿真及程序n即按上式重新画仿真结构图，就可以避免代数环的出现。因此，一般按标准的一阶微分方程组，即方程右边不出现变量的导数，画出的仿真结构图不会有代数环。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法本章小结本章小结n本章是全书的重点之一，所介绍的两种面向结构图仿真方法是目前科学研究和核工程实践中常用的仿真方法。(1)当连续系统用结

53、构图形式给定后，离散相似法是一种较为简单的方法，该方法的实质就是在系统必要环节的输入和输出端加入虚拟采样器和保持器，将连续系统离散化，然后分别计算分割开的各个环节的输出量，并按结构图上的关系把相应的输入与输出连接起来，顺序求解计算。由于环节的离散化方程可离线计算，因此该方法突出的特点是运算速度快，但精度低。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法（2）相对于离散相似法而言在本章第四节叙述的连续系统结构图仿真方法应用更广泛。它们的基本原理是一样的，但后者对各环节的计算是在仿真运行中分别计算的，因此它可以提供多种积分解法供用户选择，并且有较高的精度，但带来的问题是计算速度较慢，并

54、且需要排序，以避免结构图中出现的代数环。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法习习 题题n4-1 有一闭环系统如下图所示。（1）求出的，列出求解的差分方程。（2）求出闭环系统的，列出求解的差分方程。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法 （3）在闭环入口处加虚拟采样器及零阶保持器，求出开环的脉冲传递函数，并列出求解的差分方程。（4）在系统入口处加虚拟采样器及零阶保持器，求出开环的脉冲传递函数，并列出求解的差分方程。n4-2已知系统：（）的 =，故差分方程为n试分析步距T应如何选择。若选择的过大，计算时是否会发生不稳定？ask0a)(TaTe)1()(aT

55、meakTnaTnaTnueakyey)1(1第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n4-3 试编出下图所示的非线性环节的仿真程序。第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n4-4 设有系统状态方程如下：（1）（2）试编制程序，求出这两组状态方程转移矩阵和。已知采样周期T=0.5。uxxxx1014.335.16102121uxxxxxx10011005.00015.0321321第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n4-5 试用MCSS仿真程序对下图所示系统进行仿真。其中，输入u为单位阶跃函数；参数 ，。分析在离散化采样周期（步长）

56、T=0.02和T=0.05两种情况下，仿真结果是否相同。11c05.02c第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法4-6 设有一系统结构如下图所示。当输入为单位阶跃函数时，输出y的精确解为 n试用离散仿真程序对上述系统在以下几种条件下进行仿真，并与精确解y(t)相比较。tetetetetyttttsin813cos8113sin24173cos831)(33第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法（1）在离散化采样周期 0.02，0.005，0.001，0.002四种情况下的仿真结果与精确解的误差。（2）在离散化采样周期 0.005条件下，对于把环节 与 合

57、在一起离散化以及两个环节分开离散化 两种情况，若将两者所得结果同精确解比较，那一种误差更小一些？0D59.420sss50D第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n4-7 试用MSCSS程序仿真一个具有延迟环节的系统，其结构图如下图所示。离散化采样周期 0.01。0D第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n附录：附录：MCSS仿真程序原码仿真程序原码n500 DATA 1,1,0,0,0n510 DATA 2,2,1,8,0n520 DATA 3,16,2,0,0n530 DATA 4,3,0,3,0n540 DATA 5,3,4,5,0n550 DAT

58、A 6,3,5,6,0n560 DATA 7,3,0,6,7n570 DATA 8,2,6,7,0第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n580 DATA 0,0,0,0,0n590 DATA 1,1,0,0n600 DATA 2,1,-1,0n610 DATA 3,1,1,0n620 DATA 4,0,4,0n630 DATA 5,0,-2,0n640 DATA 6,0,-10,0n650 DATA 7,0,.4,-.1n660 DATA 8,1,1,0n670 DATA 0,0,0,0第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n670 DATA 0,0,

59、0,0n680 DATA.05,30,.2,8,2,6,7n690 DIM U(200,5),V(60),P(200,3),C(200),E(60,4),Y(200),TT(200),CK4(200,5)n700 DIM S(20,200),N(200),ID(20),AD(9),BD(9),CY(9),CU(9)n710 N9=0:T=0:C(0)=0:JNP=1n720 PRINT INPUT I,I6,J,K,Ln730 INPUT J,U(J,1),U(J,2),U(J,3),U(J,4)第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n740 IF J=0 GOTO 830

60、n750 N7=N7+1:I6=U(J,1):IF I64 GOTO 770n760 N4=N4+1:ID(N4)=J:GOTO 810n770 IF I63 THEN 790n780 N9=N9+1:U(J,5)=N9:V(N9)=J:GOTO 810n790 IF I61 GOTO 810n800 N8=N8+1:N(N8)=J:GOTO 820n810 U(J,1)=-I6n820 GOTO 730n830 FOR I=1 TO N7:IF U(I,1)0 THEN 940第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n840 FOR K=2 TO 4:L1=ABS(U(I,

61、K):IF L10 THEN 860n850 IF K=4 THEN 930 ELSE 920n860 IF N4=0 THEN 880n870 FOR J=1 TO N4:IF L1=ID(J)THEN 920 ELSE NEXT Jn880 IF N90 THEN 990n980 I4=2:U(I,1)=-U(I,1):PRINT SORT FAILURE BLOCK;I4n990 NEXT I:PRINT INPUT I,Y(1),Y(2),Y(3)第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n1000 INPUT J,P(J,1),P(J,2),P(J,3)n1010 I

62、F J=0 THEN 1030n1020 C(J)=P(J,1):Y(J)=P(J,1):GOTO 1000n1030 IF N4=0 GOTO 1050n1040 FOR I=1 TO N4:J=ID(I):P(J,2)=I:NEXT In1050 INPUT D,T2,T1,K1,K2,K3,K4;D,T2,T1,K1,K2,K3,K4n1060 N1=T1/D:N2=INT(N1+.5):D7=.5*D:D6=D/6:NPRT=INT(T2/T1+.5)n1070 PRINT TIME;TAB(15);OUTPUT-;K1;TAB(30);OUTPUT-;K2;第四章第四章 面向结构图的

63、数字仿真法面向结构图的数字仿真法n1080 PRINT TAB(45);OUTPUT-;K3;TAB(60);OUTPUT-;K4n1090 A=1n1100 B=1n1110 I7=N(B):I6=U(I7,1):IF I6=0 THEN 1680n1120 J1=U(I7,2):K=U(I7,3):L=U(I7,4):P1=P(I7,1):P2=P(I7,2):P3=P(I7,3)n1130 C2=C(J1):C3=C(K):C4=C(L)n1140 ON I6 GOTO 1670,1150,1160,1170,1220,1230,1240,1250,1260,1270,第四章第四章 面向

64、结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n1150 C1=P1*C2+P2*C3+P3*C4:GOTO 1660n1160 I3=U(I7,5):E(I3,A)=C2+P2*C3+P3*C4:GOTO 1670n1170 IF TD GOTO 1190n1180 P3=INT(4*P1/D+.5):P(B,3)=P3n1190 IP2=P2:S(IP2,P3)=C2:C1=S(IP2,0)n1200 FOR M1=1 TO P3:S(IP2,M1-1)=S(IP2,M1)n1210 NEXT M1:GOTO 1660n1220 C1=SIN(C2):GOTO 1660n1230 C1=COS(

65、C2):GOTO 1660第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n1240 C1=C2*C3:GOTO 1660n1250 C1=-C2:GOTO 1660n1260 C1=ATN(C2):GOTO 1660n1270 C1=C2/C3:GOTO 1660n1280 IF C2.0001 THEN 1350n1320 GD5=1:FOR I=1 TO 8:CU(I)=0:CY(I)=O:NEXT:IF ZD7.1 THEN 1390第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n1330 READ JA,JB:FOR I=1 TO JA:READ AD(I):N

66、EXT In1340 FOR I=1 TO JB:READ BD(I):NEXT I:ZD7=1:GOTO 1390n1350 IF GD5*P2-T.000001 GOTO 1370n1360 IF A=1 GOTO 1380n1370 C1=CY(1):GOTO 1660n1380 GD5=GD5+1n1390 C1=0:FOR I=1 TO 8:C1=C1+AD(I)*CU(I)-BD(I)*CY(I):NEXT I:C1=C1+AD(9)*C2第四章第四章 面向结构图的数字仿真法面向结构图的数字仿真法n1400 FOR I=0 TO 6:CU(8-I)=CU(7-I):CY(8-I)=CY(7-I):NEXT I:CU(1)=C2:CY(1)=C1n1410 GOTO 1660n1420 IF C20 GOTO 1450n1430 IF C2=0 GOTO 1460n1440 C1=1:GOTO 1660n1450 C1=-1:GOTO 1660n1460 C1=0:GOTO 1660n1470 IF C20 GOTO 1510n1480 IF C2=O GOTO 1460 第