0.4 控制系统计算机辅助设计的主要内容及其应用

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术是随着计算机技术的发展应运而生的一门应用型新技术，它涉及数字仿真、计算方法、显示与绘图及计算机等诸多内容，至今已有近40年的历史。CAD技术是在仿真技术的基础上发展起来的，最早使用的CAD软件包大部分是数字仿真软件包的推广。

1.控制系统CAD的主要内容

控制系统CAD作为CAD技术在自动控制理论及自动控制系统分析与设计方面的应用分支，是本门课程的另一个重要内容。CAD技术为控制系统的分析与设计开辟了广阔天地，它使得原来被人们认为难以应用的设计方法成为可能。根据所使用的数学工具，控制系统的分析与设计方法可以分为如下的两大类。

（1）变换法（频域法）

变换法属经典控制理论范畴，主要适用于单输入单输出系统。变换法借助于传递函数，利用代数的方法（如Routh判据）判断系统的稳定性，并根据系统的根轨迹、Bode图和Nyquist图等概念与方法来进一步分析控制系统的稳定性和动静态特性。也可在此基础上，根据对系统品质指标的要求，选定一种校正装置的结构形式，利用参数优化的方法确定系统校正装置的参数。

（2）状态空间法（时域法）

状态空间法为现代控制理论内容，适用于多变量控制系统的分析与设计。利用状态空间法设计控制系统的方法主要有两种。一种是最优设计方法，它包括最优控制规律的设计及状态的最优估计两个方面。另一种是基于对闭环系统的极点配置。

利用状态空间法对控制系统进行分析和设计的主要内容有：① 系统的稳定性、能控性和能观测性的判断；②能控及能观测子系统的分解；③ 状态反馈与状态观测器的设计；④ 闭环系统的极点配置；⑤线性二次型最优控制规律与卡尔曼滤波器的设计。

2.控制系统CAD的应用

（1）控制系统CAD可以广泛地应用于工业生产部门。利用它来帮助设计实际的控制系统，不仅可以缩短设计周期，而且能够设计出性能较好的控制系统。从而有助于改进产品质量和提高劳动生产率。

（2）控制系统CAD对于从事自动控制的研究人员来说也是必不可少的工具和手段。借助于CAD程序，研究人员可以很方便地对控制系统进行不同方法的分析和研究。从而不仅可以验证控制系统理论，而且可以进一步完善并发展控制系统的设计方法。

（3）控制系统CAD在控制系统教学中的应用也是十分明显的，借助于控制系统CAD程序，可以加深学生对控制系统理论的学习和理解。同时由于减少了许多繁杂的手工计算，从而可以提高学习效率。过去在课堂学习中只能举一些低阶系统和简单参数的例子，以便于手工能够计算。今天借助于计算机，更为接近实际的高阶系统也可作为学生的练习内容。从而使他们能得到更多的实际训练，较早地获得实际控制系统设计的经验。

为使控制系统CAD程序的使用更加方便和灵活，并进一步促进它的应用，很多国家都有计算机辅助设计控制系统的软件包。这些软件包不仅包括了控制系统的各方面的应用程序，而且通过软件包的管理程序，可以对所有程序和数据进行统一管理，并提供人机交互的功能。比较著名的软件包有：美国的CSMP/360、加拿大的GEMCOPE、英国的UMIST、罗马尼亚的SPIAC、日本的DPACS-P和美国的MATLAB等。