控制系統(tǒng)仿真及MATLAB應用

前言

控制系統(tǒng)理論與技術是現(xiàn)代科學技術的主要內容，已經(jīng)廣泛應用于航空與航天工業(yè)、電力工業(yè)、核能工業(yè)、石油工業(yè)、化學工業(yè)及冶金工業(yè)等眾多學科和工程技術領域，并且具有經(jīng)濟、安全、快捷、優(yōu)化設計和預測的特殊功能等優(yōu)點，在非工程系統(tǒng)（如社會、管理、經(jīng)濟等系統(tǒng)）中，由于其規(guī)模及復雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這時通過仿真技術的應用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認識，因此仿真技術已經(jīng)成為對控制系統(tǒng)進行分析、設計和綜合研究中很有效的手段。隨著控制系統(tǒng)的日益復雜化，任務的多樣化，對控制的要求越來越高，利用計算機進行仿真和研究，以及進一步實現(xiàn)計算機控制成為從事控制及相關行業(yè)的工程技術人員所必須掌握的一門技術。MATLAB是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，集數(shù)值分析、矩陣運算和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。它幾乎可以輕易地再現(xiàn)c或FORTR.AN語言全部的功能，并設計出功能強大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質量程序來，而且編程效率和計算效率極高。MATLAB環(huán)境下的SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，在它提供的圖形用戶界面（GUI）上，只要進行鼠標的簡單拖拽操作就可構造出復雜的仿真模型，是目前最優(yōu)秀、最容易使用的一個仿真環(huán)境工具箱，且在各個領域都得到了廣泛的應用。本書是在北京建筑工程學院自動化和電氣工程及自動化專業(yè)本科生多年的講義《計算機仿真》的基礎上形成的。本書在結構上采用了系統(tǒng)仿真理論與實際應用相結合的方式，分為上、下篇。上篇介紹系統(tǒng)仿真基本理論，下篇介紹通用仿真軟件最新版本MATLAB 7.2的使用。全書共分為9章，包括：控制系統(tǒng)仿真概述、控制系統(tǒng)的數(shù)學描述、連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法、MATLAB簡介、MATLAB的基本使用方法、數(shù)據(jù)和函數(shù)的可視化、MATIAB基本編程、SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境、S函數(shù)。本書反映現(xiàn)代仿真技術的最新發(fā)展，注意理論聯(lián)系實際，密切結合實際應用，各章均附有大量習題，并提供了相應的用MATLAB編寫的程序，便于讀者掌握和鞏固所學的知識。本書的第4章和第5章由陳一民老師編寫，全書中的大量實例以及部分內容由王亞慧教授提供，其余內容由張俊紅編寫，并對全書進行統(tǒng)稿。由于作者水平有限，書中難免有疏漏和錯誤之處，懇請廣大讀者批評指正。

內容概要

本書在結構上采用了系統(tǒng)仿真理論與實際應用相結合的方式，分為上下篇。上篇介紹系統(tǒng)仿真基本理論，包括控制系統(tǒng)仿真的定義、控制系統(tǒng)的數(shù)學描述、連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學仿真等；下篇介紹MATLAB的基本概念、數(shù)組、矩陣運算、可視化、M文件、SIMULINK建模和仿真等，并結合大量的實例說明了各部分功能的具體應用。    本書可作為控制工程與自動化及電子、通信等專業(yè)本科生的教材，也可作為廣大相關專業(yè)科研人員和工程技術人員的參考用書。

書籍目錄

前言上篇  系統(tǒng)仿真基本理論  第1章  概述1    1.1 系統(tǒng)仿真技術的基本概念1      1.1.1 系統(tǒng)1      1.1.2 模型及其建立2      1.1.3 仿真及其分類4      1.1.4 數(shù)字仿真的基本內容和工作過程5    1.2 控制系統(tǒng)的研究方法7      1.2.1 解析法7      1.2.2 試驗法7      1.2.3 仿真試驗法7    1.3 仿真技術的應用與發(fā)展9      1.3.1 仿真技術的應用9      1.3.2 仿真技術的發(fā)展趨勢10    習題11  第2章  控制系統(tǒng)的數(shù)學描述12    2.1 控制系統(tǒng)仿真的數(shù)學模型12      2.1.1 連續(xù)時間系統(tǒng)12      2.1.2 離散時間系統(tǒng)16      2.1.3 采樣控制系統(tǒng)17      2.1.4 數(shù)學模型的轉換18      2.1.5 線性時不變系統(tǒng)的對象模型21    2.2 控制系統(tǒng)建模的基本方法與實例22      2.2.1 系統(tǒng)建模的基本方法22      2.2.2 系統(tǒng)建模的要素與過程23      2.2.3 系統(tǒng)建模實例24    2.3 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的實現(xiàn)問題28    習題31  第3章  連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法32    3.1 常微分方程的數(shù)值解法32    3.2 數(shù)值積分算法34      3.2.1 歐拉(Euler)法34      3.2.2 龍格-庫塔(Rung-Kutta)法35      3.2.3 微分方程數(shù)值積分的矩陣分析39    3.3 數(shù)值積分算法的基本分析40      3.3.1 單步法和多步法40      3.3.2 顯式算法和隱式算法41      3.3.3 截斷誤差和舍入誤差41      3.3.4 數(shù)值積分算法的計算穩(wěn)定性43      3.3.5 數(shù)值算法的選用44    3.4 典型閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字仿真45    習題49下篇  通用仿真軟件MATLAB  第4章  MATLAB簡介50    4.1 MATLAB語言概述50      4.1.1 MATLAB語言的產(chǎn)生與發(fā)展50      4.1.2 MATLAB語言特點51      4.1.3 MATLAB的使用環(huán)境53      4.1.4 MATLAB 7.2的安裝53    4.2 MATLAB 7.2用戶界面概述56      4.2.1 啟動MATLAB 7.2 57      4.2.2 命令窗口(Command Window)使用57      4.2.3 歷史命令(Command History)窗口使用60      4.2.4 當前目錄(Current Directory)窗口使用61    4.3 MATLAB幫助系統(tǒng)的使用63      4.3.1 MATLAB幫助系統(tǒng)介紹63      4.3.2 幫助導航瀏覽器窗口系統(tǒng)64      4.3.3 DEMO演示系統(tǒng)66      4.3.4 視頻聯(lián)機演示系統(tǒng)68      4.3.5 命令窗口查詢幫助系統(tǒng)69    習題70  第5章  MATLAB的基本使用方法71    5.1 常量與變量71      5.1.1 常量71      5.1.2 變量71    5.2 數(shù)據(jù)的類型72      5.2.1 MATLAB數(shù)據(jù)類型概述72      5.2.2 數(shù)值類型73      5.2.3 浮點數(shù)類型73      5.2.4 復數(shù)74      5.2.5 邏輯類型75      5.2.6 字符和字符串75      5.2.7 函數(shù)句柄77      5.2.8 結構體類型78      5.2.9 無窮量(Inf)和非數(shù)值量(NaN)79    5.3 MATLAB的基本計算功能80      5.3.1 簡單數(shù)值計算使用方法80      5.3.2 MATLAB中的常用數(shù)學函數(shù)80    5.4 基本矩陣操作82      5.4.1 矩陣的構造82      5.4.2 空矩陣85      5.4.3 矩陣元素下標引用85      5.4.4 矩陣信息獲取86      5.4.5 矩陣的運算86    5.5 MATLAB中的其他運算92      5.5.1 關系運算92      5.5.2 邏輯運算93      5.5.3 運算優(yōu)先級94    5.6 MATLAB的符號計算功能94      5.6.1 創(chuàng)建符號變量和表達式95      5.6.2 符號與數(shù)值之間的轉換96      5.6.3 對符號變量的操作97      5.6.4 符號表達式的代數(shù)運算99      5.6.5 符號數(shù)值任意精度控制和運算101      5.6.6 微積分的符號計算102      5.6.7 反函數(shù)與復合函數(shù)的符號計算104      5.6.8 一般代數(shù)方程的求解105      5.6.9 線性方程組的符號解106      5.6.10 微分方程的求解106      5.6.11 符號積分變換107      5.6.12 符號表達式的化簡109    習題112  第6章  數(shù)據(jù)和函數(shù)的可視化113    6.1 MATLAB圖形窗口113      6.1.1 圖形窗口的創(chuàng)建與控制113      6.1.2 圖形窗口的菜單欄115      6.1.3 圖形窗口的工具欄116    6.2 二維繪圖118    6.3 三維繪圖123      6.3.1 三維繪圖指令123      6.3.2 三維圖形的修飾130    6.4 坐標控制和圖形標識134    習題140  第7章  MATLAB 基本編程141    7.1 腳本和函數(shù)141      7.1.1 函數(shù)141      7.1.2 腳本文件142      7.1.3 局部變量和全局變量143      7.1.4 MATLAB的函數(shù)類別144    7.2 MATLAB流程控制145      7.2.1if-else-end條件控制145      7.2.2 switch-case控制結構147      7.2.3 for循環(huán)和while循環(huán)148      7.2.4 其他流程控制函數(shù)150    7.3 用戶參數(shù)交互輸入151      7.3.1 鍵盤輸入151      7.3.2 鍵盤控制152      7.3.3 菜單輸入153    7.4 MATLAB程序調試155    7.5 MATLAB分析控制系統(tǒng)實例155      7.5.1 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析155      7.5.2 時域分析156      7.5.3 根軌跡法分157      7.5.4 頻域分析158    習題160  第8章  SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境161    8.1 SIMULINK環(huán)境簡介161      8.1.1 SIMULINK的啟動162      8.1.2 SIMULINK的模塊庫介紹163    8.2 模型的創(chuàng)建166      8.2.1 模型建立的基本步驟166      8.2.2 模塊的基本操作167      8.2.3 SIMULINK線的處理169    8.3 SIMULINK仿真的運行170    8.4 SIMULINK的仿真實例175      8.4.1 基于微分方程的SIMULINK建模與仿真176      8.4.2 基于傳遞函數(shù)的SIMULINK建模與仿真180      8.4.3 非線性系統(tǒng)的SIMULINK建模與仿真184      8.4.4 SIMULINK實現(xiàn)的元件級電路仿真186      8.4.5 MATLAB/SIMULINK在空調自動控制系統(tǒng)中的應用187    習題190  第9章  S函數(shù)192    9.1 S函數(shù)的工作方式192    9.2 用MATLAB語言編寫S函數(shù)194    9.3 S函數(shù)應用實例200      9.3.1 連續(xù)系統(tǒng)的S函數(shù)的描述200      9.3.2 混合系統(tǒng)的S函數(shù)描述201      9.3.3 含有外部輸入?yún)?shù)系統(tǒng)的S函數(shù)的描述202    習題205參考文獻206

章節(jié)摘錄

插圖：③對于一些計算機控制系統(tǒng)的仿真問題，數(shù)字計算機可用于模擬系統(tǒng)中的控制器，而模擬計算機用于模擬被控對象。在20世紀50～70年代，模擬一數(shù)字混合計算機仿真十分流行，在數(shù)字計算機速度不斷增長的情況下，數(shù)字仿真速度慢的缺點已經(jīng)被克服，并已經(jīng)被數(shù)字仿真所取代。（2）根據(jù)仿真回路中實現(xiàn)手段的不同分類1）硬件在回路中的仿真：在有的系統(tǒng)研究中，常把數(shù)學模型、實體模型和系統(tǒng)的實際設備聯(lián)系在一起運轉，組成仿真系統(tǒng)，又稱為半實物仿真。2）人在回路中的仿真：人作為系統(tǒng)仿真的一個組成部分，重點解決的是人的感覺生成技術，包括視覺、聽覺、動感、力反饋等仿真環(huán)境，又稱為虛擬現(xiàn)實。3）軟件在回路中的仿真：這里的軟件是指實物上的專用軟件，比如信息處理軟件、控制軟件等，又稱為嵌入式仿真。（3）按系統(tǒng)隨時間變化的狀態(tài)分類1）連續(xù)系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)的輸入輸出信號均為時間的連續(xù)函數(shù)，可用一組數(shù)學表達式來描述，例如采用微分方程、狀態(tài)方程等。2）離散系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)的狀態(tài)變化只在離散時刻發(fā)生，可用一組數(shù)學表達式來描述，例如差分方程、離散狀態(tài)空間模型。1.1.4 數(shù)字仿真的基本內容和工作過程隨著計算機與微電子技術的發(fā)展，人們越來越多地采用在數(shù)學模型上進行仿真試驗研究。因此要了解數(shù)學仿真的基本內容和工作過程。1.數(shù)字仿真的基本內容通常情況下，數(shù)字仿真實驗包括三個基本要素：實際系統(tǒng)、數(shù)學模型和計算機。聯(lián)系著三個要素的有三個基本活動：模型建立、仿真實驗和結果分析。以上三個要素和三個基本活動的關系可用圖1-4來表示。由圖1-4可知，將實際系統(tǒng)抽象為數(shù)學模型，稱為一次模型化，它還涉及系統(tǒng)辨識技術的問題，統(tǒng)稱為建模問題；將數(shù)學模型轉換為可在計算機運行的仿真模型，稱為二次模型化，這涉及仿真技術問題，統(tǒng)稱為仿真實驗。

編輯推薦

《控制系統(tǒng)仿真及MATLAB應用》是由機械工業(yè)出版社出版的。

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