控制系統計算機輔助設計

控制系統計算機輔助設計是一種利用計算機設計控制系統的技術，英文縮寫 CACSD。它是在控制系統計算機仿真的基礎上發展起來的。

簡介

早期的 CACSD軟體基本上是仿真軟體。控制工程師藉助於計算機來設計控制系統，可以提高設計質量，保證設計的精度和可靠性，並能提高設計效率，縮短設計周期，減少設計定型的試驗費用。

發展概況

CACSD的發展大致可分為三個階段。第一階段，從60年代到70年代初，採用由一個或幾個控制系統計算程式組成的 CACSD軟體包。這種軟體包主要是利用線性二次型最優控制理論來設計最優控制系統的設計程式，這些程式歸結為求解黎卡提矩陣代數方程，以及利用經典控制理論的頻域法和根軌跡法來設計單變數系統的程式。在這一階段，仿真語言的發展對 CACSD起了推動作用。第二階段，從70年代初到80年代，英國羅森布羅克學派創立的多變數頻域法，對 CACSD的發展起了巨大的推動作用，出現了功能齊全的用於多變數系統設計的CACSD軟體包。在這一階段，微型計算機,高解析度圖形終端，精密繪圖儀，光電掃瞄器，滑鼠等的出現，加強了人機聯繫，推動了CACSD的發展。80年代後CACSD的研究重點從編制具有各種複雜計算功能的軟體包轉向建立控制系統分析、綜合與設計的良好支持環境，包括線性系統和非線性系統設計工具，辨識與仿真工具，最最佳化程式和系統綜合工具，檔案組織，資料庫管理，文檔系統，圖形輸入輸出和人機接口等。1984年J.H.泰勒和D.K.弗雷德里克提出計算機輔助控制工程(CACE)的新概念，進一步擴大了CACSD的任務,包括建立被控對象模型，確定模型特徵，調整被控對象，設計問題形式化，檢驗問題提法和限制條件，形成折衷的設計方案，執行設計程式，驗證設計，提供設計文檔，實現最終設計等。第三階段，從80年代中期開始，提出 CACSD專家系統。1985年出現具有專家系統支持的 LQG（線性二次高斯控制系統）軟體包。現在正在研究多變數自適應控制的實時專家系統，多變數系統的系統化設計的專家系統，以及指導控制器物理實現（現場整定）的專家系統。中國從1984年開始研製CACSD軟體包，並於 1986年通過國家鑑定。它屬於第二代CACSD軟體包,採用模組化層次結構，由18個功能子包組成，包括系統辨識，時間序列建模，多項式矩陣分析與綜合，LQG控制,多變數頻域法和狀態空間法設計，系統仿真和模型處理等。

硬體

CACSD系統的硬體由小型機或超級微機配置相應的輸入輸出設備組成，也可採用 CAD工作站。配置的外部設備有磁碟驅動器、鍵盤、圖像終端、光電掃瞄器、精密繪圖儀、高速印表機、螢幕複印機和滑鼠等。早期CACSD系統用光筆來修改螢幕設計,用數位化儀作為圖形輸入設備。

軟體

CACSD 系統的軟體包括系統軟體和套用軟體，套用軟體主要是CACSD軟體包,它常用FORTRAN,C,Pascal等語言編寫。現在推出的CACSD軟體包有三種類型:①計算機輔助分析和計算軟體包。它僅包含設計過程中用到的最基本的計算程式。②半自動 CACSD軟體包。它不但包含設計過程中用到的最基本的計算程式，還具備人機對話功能，可根據設計者的指令修改系統的結構和參數。這種程式包一般都有6個程式模組（圖1）。③全自動 CACSD軟體包。它在半自動軟體包的基礎上又增加自動搜尋最最佳化程式模組，可自動改變控制系統參數,實現設計自動化。CACSD軟體包一般都具有人機互動功能,有的軟體包還可以使用宏命令或CACSD專用語言。

CACSD專家系統 　一個完整的CACSD專家系統應具備下列功能：建立被控對象的數學模型並將其轉換成要求的形式；確定設計指標和限制條件；選擇設計方法；進行詳細設計；分析設計成果；提交設計文檔；實現所設計的控制器。

CACSD專家系統的結構（圖2）有三種類型：①前端式。用戶不直接與 CACSD軟體包發生聯繫，只要把數學模型、性能指標等輸入給專家系統，由專家系統選擇合適的指令啟動並運行 CACSD軟體包，並接受運算結果，給用戶提供設計報告。②諮詢式。用戶將設計要求輸入給專家系統，由專家系統告訴用戶模型結構，設計步驟，以及應選用的軟體包和指令，然後由用戶操作CACSD軟體包,最後由專家系統提供設計報告。③嵌入式。專家系統嵌入到CACSD軟體包中,成為該軟體包的一部分。此時，為了加快處理速度，專家系統也常用FORTRAN，C，Pascal等語言編程。