控制系统计算机辅助设计
简介利用计算机设计控制系统的技术，英文缩写 CACSD。它是在控制系统计算机仿真的基础上发展起来的。早期的 CACSD软件基本上是仿真软件。控制工程师借助于计算机来设计控制系统，可以提高设计质量，保证设计的精度和可靠性，并能提高设计效率，缩短设计周期，减少设计定型的试验费用。
发展概况CACS[1]D的发展大致可分为三个阶段。第一阶段，从60年代到70年代初，采用由一个或几个控制系统计算程序组成的 CACSD软件包。这种软件包主要是利用线性二次型最优控制理论来设计最优控制系统的设计程序，这些程序归结为求解黎卡提矩阵代数方程，以及利用经典控制理论的频域法和根轨迹法来设计单变量系统的程序。在这一阶段，仿真语言的发展对 CACSD起了推动作用。第二阶段，从70年代初到80年代，英国罗森布罗克学派创立的多变量频域法，对 CACSD的发展起了巨大的推动作用，出现了功能齐全的用于多变量系统设计的CACSD软件包。在这一阶段，微型计算机,高分辨率图形终端，精密绘图仪，光电扫描仪，鼠标等的出现，加强了人机联系，推动了CACSD的发展。80年代后CACSD的研究重点从编制具有各种复杂计算功能的软件包转向建立控制系统分析、综合与设计的良好支持环境，包括线性系统和非线性系统设计工具，辨识与仿真工具，最优化程序和系统综合工具，文件组织，数据库管理，文档系统，图形输入输出和人机接口等。1984年J.H.泰勒和D.K.弗雷德里克提出计算机辅助控制工程(CACE)的新概念，进一步扩大了CACSD的任务,包括建立被控对象模型，确定模型特征，调整被控对象，设计问题形式化，检验问题提法和限制条件，形成折衷的设计方案，执行设计程序，验证设计，提供设计文档，实现最终设计等。第三阶段，从80年代中期开始，提出 CACSD专家系统。1985年出现具有专家系统支持的 LQG（线性二次高斯控制系统）软件包。现在正在研究多变量自适应控制的实时专家系统，多变量系统的系统化设计的专家系统，以及指导控制器物理实现（现场整定）的专家系统。中国从1984年开始研制CACSD软件包，并于 1986年通过国家鉴定。它属于第二代CACSD软件包,采用模块化层次结构，由18个功能子包组成，包括系统辨识，时间序列建模，多项式矩阵分析与综合，LQG控制,多变量频域法和状态空间法设计，系统仿真和模型处理等。
硬件CACSD系统的硬件由小型机或超级微机配置相应的输入输出设备组成，也可采用 CAD工作站。配置的外部设备有磁盘驱动器、键盘、图像终端、光电扫描仪、精密绘图仪、高速打印机、屏幕复印机和鼠标等。早期CACSD系统用光笔来修改屏幕设计,用数字化仪作为图形输入设备。
软件CACSD 系统的软件包括系统软件和应用软件，应用软件主要是CACSD软件包,它常用FORTRAN,C,Pascal等语言编写。现在推出的CACSD软件包有三种类型:①计算机辅助分析和计算软件包。它仅包含设计过程中用到的最基本的计算程序。②半自动 CACSD软件包。它不但包含设计过程中用到的最基本的计算程序，还具备人机对话功能，可根据设计者的指令修改系统的结构和参数。这种程序包一般都有6个程序模块（图1）。③全自动 CACSD软件包。它在半自动软件包的基础上又增加自动搜索最优化程序模块，可自动改变控制系统参数,实现设计自动化。CACSD软件包一般都具有人机交互功能,有的软件包还可以使用宏命令或CACSD专用语言。
CACSD专家系统 一个完整的CACSD专家系统应具备下列功能：建立被控对象的数学模型并将其转换成要求的形式；确定设计指标和限制条件；选择设计方法；进行详细设计；分析设计成果；提交设计文档；实现所设计的控制器。
CACSD专家系统的结构（图2）有三种类型：①前端式。用户不直接与 CACSD软件包发生联系，只要把数学模型、性能指标等输入给专家系统，由专家系统选择合适的指令启动并运行 CACSD软件包，并接受运算结果，给用户提供设计报告。②咨询式。用户将设计要求输入给专家系统，由专家系统告诉用户模型结构，设计步骤，以及应选用的软件包和指令，然后由用户操作CACSD软件包,最后由专家系统提供设计报告。③嵌入式。专家系统嵌入到CACSD软件包中,成为该软件包的一部分。此时，为了加快处理速度，专家系统也常用FORTRAN，C，Pascal等语言编程。