控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD

前言

一、關(guān)于本書1997年5月，針對(duì)“數(shù)字仿真與CAD技術(shù)”的廣泛應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)，為滿足本科生教學(xué)工作的需要，全國高等學(xué)校工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)決定組織編寫“控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD”課程的本科生教材，并將其列為“九五”規(guī)劃教材。1999年，《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD）（第1版）由機(jī)械工業(yè)出版社出版，并于2005年修訂?！犊刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》出版10年以來，作為國內(nèi)較早地將MATLAB語言融入仿真課程中的本科生教材，廣泛地被讀者評(píng)價(jià)為注重基礎(chǔ)、內(nèi)容精煉、可讀性強(qiáng)、工程案例內(nèi)容豐富、多媒體課件資料齊全，先后被國內(nèi)100余所院校選作為仿真類課程的教材。隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，目前已由原來的多個(gè)本科專業(yè)合并而成自動(dòng)化、電氣工程與自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等本科專業(yè)。同時(shí)，高等院校本科生的培養(yǎng)目標(biāo)已向著厚基礎(chǔ)、寬口徑、重能力的方向發(fā)展，仿真技術(shù)類課程的內(nèi)容也逐步從原理與軟件學(xué)習(xí)拓展到工程案例教學(xué)方向上來。因此，作為涉及自動(dòng)控制原理、數(shù)值分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容的仿真技術(shù)類課程，需要不斷地與時(shí)俱進(jìn)。二、仿真技術(shù)類課程教學(xué)所面臨的問題1.課程設(shè)置的必要性仿真技術(shù)在其近50年的發(fā)展歷史中，推動(dòng)了幾乎所有設(shè)計(jì)領(lǐng)域的革命，被喻為20世紀(jì)下半葉十大工程技術(shù)成就之一；如今，仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代工程師應(yīng)該掌握的基本技能之一。作為聯(lián)系自動(dòng)控制理論、自動(dòng)控制系統(tǒng)／設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)的仿真技術(shù)類課程，其不僅可以使學(xué)生加強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)效果，而且還可為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中提供一個(gè)強(qiáng)有力的工具，有效加強(qiáng)教學(xué)中的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造性思維能力。2.新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)作為以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)值技術(shù)以及應(yīng)用軟件為基本手段的仿真技術(shù)，其內(nèi)涵與其應(yīng)用將會(huì)隨著IT業(yè)的發(fā)展、各行業(yè)的需求和新技術(shù)的涌現(xiàn)而不斷地向前發(fā)展。如何引領(lǐng)前沿技術(shù)進(jìn)入仿真技術(shù)類課程的教學(xué)中來，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí)，開闊他們的思維視野，是本課程面臨的重要問題之一。3.能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練作為一類建立在若干先修課程與知識(shí)基礎(chǔ)之上的應(yīng)用型專業(yè)課，仿真技術(shù)類課程應(yīng)該傳授給學(xué)生些什么？筆者認(rèn)為：把仿真技術(shù)這一“利器”傳授給學(xué)生，使學(xué)生掌握其中的基本概念、基本原理和基本方法是本門課程最低層次的要求。同時(shí)，如何充分利用仿真工具，使學(xué)生加深理解所學(xué)的課程與知識(shí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立地分析問題與解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的思維方法，是仿真技術(shù)類課程教學(xué)所面臨的深層次問題。

內(nèi)容概要

本書在概述了仿真技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的基礎(chǔ)上，以MATLAB語言為平臺(tái)，系統(tǒng)地闡述了數(shù)字仿真技術(shù)的基本概念、原理與方法，概括了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的基本內(nèi)容。全書共五章，主要包括：控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與模型的建立、數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)方法、控制系統(tǒng)CAD及其綜合應(yīng)用等內(nèi)容。    書中涉及運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、電磁與電力電子控制等系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)問題，其內(nèi)容深入淺出，可讀性較強(qiáng)；各章設(shè)有“問題與探究”一節(jié)，配有練習(xí)型、分析/設(shè)計(jì)型和探究型的習(xí)題，有助于激發(fā)學(xué)生的興趣，拓展技術(shù)領(lǐng)域，以使讀者進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)與掌握相關(guān)領(lǐng)域的內(nèi)容。    本書系高等院校自動(dòng)化專業(yè)本科生用教材，也可作為電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)“仿真技術(shù)”類課程的教學(xué)用書。

作者簡介

張曉華 博士 男 1961年4月生，1979年入哈爾濱工業(yè)大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，1983年本科畢業(yè)并留校任教，1989年獲該專業(yè)碩士學(xué)位；1998年獲哈工大控制理論與工程專業(yè)博士學(xué)位；2000年任哈工大電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科教授，2003年任該學(xué)科博士生導(dǎo)師；1999～2004年任哈工大電氣

書籍目錄

第版前言第一章 概述  第一節(jié) 控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法    一、解析法    二、實(shí)驗(yàn)法    三、仿真實(shí)驗(yàn)法  第二節(jié) 仿真實(shí)驗(yàn)的分類與性能比較    一、按模型分類    二、按計(jì)算機(jī)類型分類  第三節(jié) 系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真    一、系統(tǒng)的組成與分類    二、模型的建立及其重要性    三、數(shù)字仿真的基本內(nèi)容  第四節(jié) 控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真軟件    一、CAD技術(shù)的一般概念    二、控制系統(tǒng)CAD的主要內(nèi)容    三、數(shù)字仿真軟件  第五節(jié) 仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展    一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用    二、應(yīng)用仿真技術(shù)的重要意義    三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)  第六節(jié) 問題與探究——虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)    一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)    二、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)    三、基于虛擬樣機(jī)的球棒控制系統(tǒng)仿真  小結(jié)  習(xí)題第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述  第一節(jié) 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型    一、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的表示形式    二、數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換    三、線性時(shí)不變系統(tǒng)的對(duì)象數(shù)據(jù)類型描述    四、控制系統(tǒng)建模的基本方法  第二節(jié) 控制系統(tǒng)建模實(shí)例    一、獨(dú)輪自行車實(shí)物仿真問題    二、龍門起重機(jī)運(yùn)動(dòng)控制問題    三、水箱液位控制問題    四、燃煤熱水鍋爐控制問題    五、三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)控制問題    六、磁懸浮軸承運(yùn)動(dòng)控制問題  第三節(jié) 實(shí)現(xiàn)問題    一、單變量系統(tǒng)的可控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)    二、控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)  第四節(jié) 常微分方程數(shù)值解法    一、數(shù)值求解的基本概念    二、數(shù)值積分法    三、關(guān)于數(shù)值積分法的幾點(diǎn)討論  第五節(jié) 數(shù)值算法中的“病態(tài)”問題    一、“病態(tài)”常微分方程    二、控制系統(tǒng)仿真中的“病態(tài)”問題    三、“病態(tài)”系統(tǒng)的仿真方法  第六節(jié) 數(shù)字仿真中的“代數(shù)環(huán)”問題    一、問題的提出    二、“代數(shù)環(huán)”產(chǎn)生的條件    三、消除“代數(shù)環(huán)”的方法  第七節(jié) 問題與探究——電力電子器件建模問題    一、問題提出    二、建模機(jī)理    三、問題探究  小結(jié)  習(xí)題第三章 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)  第一節(jié) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其拓?fù)涿枋?   一、控制系統(tǒng)常見的典型結(jié)構(gòu)形式    二、控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)描述    三、控制系統(tǒng)的連接矩陣  第二節(jié) 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真    一、典型閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字仿真    二、復(fù)雜連接的閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字仿真  第三節(jié) 環(huán)節(jié) 的離散化與非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真    一、連續(xù)系統(tǒng)的離散化模型法    二、非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真  第四節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真    一、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述    二、采樣控制系統(tǒng)的仿真方法    三、采樣控制系統(tǒng)仿真程序?qū)崿F(xiàn)  第五節(jié) 問題與探究——一類非線性控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的效率問題    一、問題提出    二、問題分析    三、幾點(diǎn)討論  小結(jié)  習(xí)題第四章 控制系統(tǒng)CAD  第一節(jié) 概述  第二節(jié) 經(jīng)典控制理論CAD    一、控制系統(tǒng)固有特性分析    二、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法    三、控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)  第三節(jié) 基于雙閉環(huán)PID控制的一階倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    一、系統(tǒng)模型    二、模型驗(yàn)證    三、雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)    四、仿真實(shí)驗(yàn)    五、結(jié)論  第四節(jié) 現(xiàn)代控制理論CAD    一、線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)    二、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)  第五節(jié) 基于時(shí)間最優(yōu)控制的起重機(jī)防擺控制技術(shù)研究    一、問題的提出    二、時(shí)間最優(yōu)控制    三、系統(tǒng)建模    四、模型驗(yàn)證    五、時(shí)間最優(yōu)控制策略    六、仿真實(shí)驗(yàn)    七、結(jié)論  第六節(jié) 問題與探究——“球車系統(tǒng)”的建模與控制問題    一、問題提出    二、系統(tǒng)建模    三、問題探究  小結(jié)  習(xí)題第五章 數(shù)字仿真技術(shù)的綜合應(yīng)用  第一節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干問題    一、雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的目的    二、關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題    三、關(guān)于ASR與ACR的工程設(shè)計(jì)問題    四、雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析  第二節(jié) 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計(jì)方法    一、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計(jì)    二、“高精度齒輪量儀”位置伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)  第三節(jié) “水箱系統(tǒng)”液位控制的仿真研究    一、系統(tǒng)建模    二、數(shù)字仿真    三、結(jié)果分析  第四節(jié) 一階倒立擺系統(tǒng)的雙閉環(huán)模糊控制方案    一、引言    二、模糊理論中的幾個(gè)基本概念    三、一階倒立擺系統(tǒng)的雙閉環(huán)模糊控制    四、仿真實(shí)驗(yàn)    五、結(jié)論  第五節(jié) 基于單位功率因數(shù)的PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    一、引言    二、滑模變結(jié)構(gòu)控制    三、系統(tǒng)建模與模型驗(yàn)證    四、基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    五、仿真實(shí)驗(yàn)    六、結(jié)論  第六節(jié) 問題與探究——兩輪電動(dòng)車自平衡控制問題    一、問題提出    二、系統(tǒng)建模    三、問題探究  小結(jié)  習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：（3）交互式語言階段從人－機(jī)之間信息交換便利的角度出發(fā)，將數(shù)字仿真所涉及的問題上升到“語言”的高度所進(jìn)行的軟件集成，其結(jié)果就產(chǎn)生了交互式的“仿真語言”。仿真語言與普通高級(jí)算法語言（如C、FORTRAN等）的關(guān)系就如同C語言與匯編語言的關(guān)系一樣，人們?cè)谟肅語言在進(jìn)行乘（或除）法運(yùn)算時(shí)不必去深入考慮乘法是如何實(shí)現(xiàn)的（已有專業(yè)人員周密處理之）；同樣，仿真語言可用一條指令實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)特征值的求取”，而不必考慮是用什么算法以及如何實(shí)現(xiàn)等低級(jí)問題。當(dāng)今具有代表性的仿真語言有：瑞典Lund工學(xué)院的SIMNON仿真語言、IBM公司的CSMP仿真語言以及ACSL、TSIM、ESL等。20世紀(jì)80年代初，由美國學(xué)者Cleve Moler等人推出的交互式MATLAB語言以它獨(dú)特的構(gòu)思與卓越的性能為控制理論界所重視，現(xiàn)已成為控制系統(tǒng)CAD領(lǐng)域最為普及與流行的應(yīng)用軟件。（4）模型化圖形組態(tài)階段盡管仿真語言將人－機(jī)界面提高到“語言”的高度，但是對(duì)于從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)技術(shù)人員來講還是有許多不便，他們似乎對(duì)基于模型的圖形化（如框圖）描述方法更親切。隨著“視窗”（Windows）軟件環(huán)境的普及，基于模型化圖形組態(tài)的控制系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，它使控制系統(tǒng)CAD進(jìn)入到一個(gè)嶄新的階段。目前，最具代表性的模型化圖形組態(tài)軟件當(dāng)數(shù)美國Math Works軟件公司1992年推出的Simulink，它與該公司著名的MATLAB軟件集成在一起，成為當(dāng)今最具影響力的控制系統(tǒng)CAD軟件。

編輯推薦

《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD(第3版)》：普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材,普通高等教育電氣工程與自動(dòng)化類“十一五”規(guī)劃教材

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