計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD

前言

《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》自2003年9月出版以來，得到了廣大讀者的關(guān)心和支持，先后多次重印，被國內(nèi)多所大學(xué)選做教材，并人選普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)類課程是自動(dòng)化專業(yè)及電氣信息類有關(guān)專業(yè)的一門主干課程。根據(jù)高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)發(fā)展與教學(xué)改革的需要，為構(gòu)建“課程設(shè)置合理、內(nèi)容先進(jìn)、體系科學(xué)”的自動(dòng)化專業(yè)課程體系，編寫符合自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)改革要求的自動(dòng)化專業(yè)教材，對本教材進(jìn)行了修訂，并將原書名改為《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD——基于MATLAB的控制系統(tǒng)》。本次修訂在對自動(dòng)化專業(yè)課程體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，充分考慮自動(dòng)化專業(yè)教  學(xué)計(jì)劃的需要，能滿足多學(xué)科交叉背景學(xué)生的教學(xué)需求，體現(xiàn)寬口徑專業(yè)教育思想，反映先進(jìn)的技術(shù)水平，強(qiáng)調(diào)教學(xué)實(shí)踐的重要性，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，能適應(yīng)新形式下計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)類課程教學(xué)和適用于不同層次院校的選學(xué)需要。這次修訂在保持原書系統(tǒng)、實(shí)用、易讀的特點(diǎn)和基本框架基礎(chǔ)上，主要做了以下幾方面的修改和補(bǔ)充：①在第1章仿真軟件——MATLAB中，補(bǔ)充了部分MATLAB數(shù)值運(yùn)算內(nèi)容；另外增加了MATLAB符號運(yùn)算、MATLAB圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)和MATLAB編譯器等內(nèi)容，使現(xiàn)  有的MATLAB內(nèi)容更加系統(tǒng)和完善。②在第6章動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境——Simulink中，增加了MATLAB7.5.0（R2007b）版的新內(nèi)容。③在第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換和第7章控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析中，對部分內(nèi)容做了相應(yīng)的調(diào)整，使其內(nèi)容更加合理。④對第8章中的部分程序增加了注釋。⑤為了便于系統(tǒng)教學(xué)，將第10章基于MATLAB工具箱的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)改為第9  章，使第7，8，9章內(nèi)容相連貫，并在該章增加了MATLAB 7.5.0（R2007b）版的新內(nèi)容，但同時(shí)  也保留了MATLAB 6.5版的部分內(nèi)容。⑥將第9章Simulink的擴(kuò)展工具——S－函數(shù)改為第10章，并根據(jù)MATLAB 7.5.0（R2007b）版的特點(diǎn)，對部分內(nèi)容做了相應(yīng)的修改。⑦在每章中，均增加了相應(yīng)的練習(xí)題，供讀者獨(dú)立操作，以便進(jìn)一步掌握使用要領(lǐng)，提高獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造性思維能力?？傊抻喓蟮慕滩木哂腥缦绿攸c(diǎn)：（1）內(nèi)容先進(jìn)、符合教學(xué)大綱本書既考慮了內(nèi)容的先進(jìn)性，又兼顧了教材內(nèi)容的穩(wěn)定性。本教材是根據(jù)教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)規(guī)范和目前最新版本MATLAB 7.5.0（R2007b）為基礎(chǔ)來進(jìn)行修訂的。但同時(shí)排除了過渡性很強(qiáng)的內(nèi)容，使得本書的內(nèi)容對更高版本的環(huán)境仍可完全適用。（2）內(nèi)容全面、結(jié)構(gòu)合理全書結(jié)構(gòu)貫穿一條主線，以MATLAB／Simulink為平臺(tái)，從系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真，到系統(tǒng)分  析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將MATLAB／Simulink應(yīng)用技術(shù)與控制理論有機(jī)地結(jié)合起來。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材。全書全面論述控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念和原理，系統(tǒng)介紹了當(dāng)前國際控制界最為流行的面向工程與科學(xué)計(jì)算的高級語言MA'lrLAB及其動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境Sirraalink，并以最新版MATLAB為平臺(tái)，詳細(xì)闡述控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真方法、控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)；最后特別介紹基于圖形界面的MA"n．,AB工具箱的線性和非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本書取材先進(jìn)實(shí)用，講解深入淺出，各章均有大量的例題，并提供了相應(yīng)的仿真程序，便于讀者掌握和鞏固所學(xué)知識。    本書可作為高等院校自動(dòng)化專業(yè)和電氣信息類其他各專業(yè)本科生和研究生教材，也可作為從事自動(dòng)控制及相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的參考用書。

作者簡介

李國勇，男，1963年生，工學(xué)博士，太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院教授，從事工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)和科研工作，主要研究方向?yàn)轭A(yù)測控制、智能控制理論及其應(yīng)用等。主持和參研完成省部級科研項(xiàng)目和國家工程項(xiàng)目5項(xiàng)。在國內(nèi)主要期刊及會(huì)議上公開發(fā)表論文30余篇。主編普通高等教育“十

書籍目錄

緒論  0.1 仿真技術(shù)簡介  0.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展概況  0.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用  0.4 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及其應(yīng)用  0.5 基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真的現(xiàn)狀  習(xí)題第1章 仿真軟件——MATLAB  1.1 MATLAB的功能特點(diǎn)  1.2 MATLAB的基本操作  1.3 MATLAB的控制語句    1.3.1 循環(huán)語句    1.3.2 程序流控制語句    1.3.3 條件轉(zhuǎn)移語句  1.4 MATLAB的繪圖功能    1.4.1 二維圖形    1.4.2 三維圖形  1.5 MATLAB的數(shù)值運(yùn)算    1.5.1 矩陣運(yùn)算    1.5.2 向量運(yùn)算    1.5.3 關(guān)系和邏輯運(yùn)算    1.5.4 多項(xiàng)式運(yùn)算    1.5.5 數(shù)據(jù)分析    1.5.6 函數(shù)極值    1.5.7 代數(shù)方程求解    1.5.8 微分方程求解    1.5.9 函數(shù)積分    1.5.10 函數(shù)繪圖  1.6 MATIAB的符號運(yùn)算    1.6.1 符號表達(dá)式的生成    1.6.2 符號表達(dá)式的基本運(yùn)算    1.6.3 符號表達(dá)式的微積分    1.6.4 符號表達(dá)式的變換    1.6.5 符號表達(dá)式的求解  1.7 MATLAB的圖形界面  1.8 MATLAB編譯器    1.8.1 創(chuàng)建MEX文件    1.8.2 創(chuàng)建EXE文件  本章小結(jié)  習(xí)題第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換  2.1 線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本描述方法  2.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型問的相互轉(zhuǎn)換  2.3 系統(tǒng)模型的連接  2.4 典型系統(tǒng)的生成  2.5 系統(tǒng)的離散化和連續(xù)化  2.6 系統(tǒng)的特性值  本章小結(jié)  習(xí)題第3章 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真  3.1 數(shù)值積分法    3.1.1 歐拉法    3.1.2 梯形法    3.1.3 預(yù)估-校正法    3.1.4 龍格-庫塔法    3.1.5 關(guān)于仿真數(shù)值積分法的幾點(diǎn)討論  3.2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真程序  3.3 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的仿真    3.3.1 典型環(huán)節(jié)的確定    3.3.2 連接矩陣    3.3.3 確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程    3.3.4 面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真程序  3.4 連續(xù)系統(tǒng)的快速仿真    3.4.1 增廣矩陣法的基本原理    3.4.2 典型輸入函數(shù)的增廣矩陣  本章小結(jié)  習(xí)題第4章 連續(xù)系統(tǒng)按環(huán)節(jié)離散化的數(shù)字仿真  4.1 連續(xù)系統(tǒng)的離散化  4.2 典型環(huán)節(jié)的離散系數(shù)及其差分方程  4.3 非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法  4.4 連續(xù)系統(tǒng)按環(huán)節(jié)離散化的數(shù)字仿真程序  本章小結(jié)  習(xí)題第5章 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真第6章 動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境——Simulink第7章 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助分析第8章 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)第9章 基于MATLAB工具箱的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)第10章 Simulink的擴(kuò)展工具——S-函數(shù)附錄A MATLAB函數(shù)一覽表附錄B MATLAB函數(shù)分類索引參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對象、測量變送裝置、執(zhí)行器和控制器組成的。當(dāng)選定測量變送裝置和執(zhí)行器后，對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析研究，也就是對被控對象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和研究，然后根據(jù)被控對象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，以求獲得滿足性能指標(biāo)要求的最優(yōu)控制系統(tǒng)。在控制器類型確定后，分析和研究控制系統(tǒng)的主要目的之一是獲得控制器的最佳整定參數(shù)。對于比較簡單的被控對象，可以通過在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)整來獲得較好的整定參數(shù)。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，大部分的被控對象是比較復(fù)雜的，并且要考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性，以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的可能性等，這在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中往往不易做到，甚至根本不允許這樣做。例如，在研究導(dǎo)彈飛行、宇航、反應(yīng)堆控制等系統(tǒng)時(shí)，不經(jīng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)就進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，將對人類的生命和健康帶來很大的危險(xiǎn)。這時(shí)，就需要對實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建物理模型或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，然后把對模型實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中去，這種方法就叫做模擬仿真研究，簡稱仿真。因此，仿真就是用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。它所遵循的基本原則是相似原理，即幾何相似、環(huán)境相似和性能相似。依據(jù)這個(gè)原理，仿真可分為物理仿真、數(shù)學(xué)仿真和混合仿真。物理仿真就是應(yīng)用幾何相似原理，制作一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)相似但幾何尺寸較小或較大的物理模型（例如飛機(jī)模型放在與氣流場相似的風(fēng)洞中）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)學(xué)仿真是應(yīng)用數(shù)學(xué)相似原理，構(gòu)成數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行研究。它由軟硬件仿真環(huán)境、動(dòng)畫、圖形顯示、輸出打印設(shè)備等組成。在仿真研究中，數(shù)學(xué)仿真只要有一臺(tái)數(shù)學(xué)仿真設(shè)備（如計(jì)算機(jī)等）就可以對不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和研究，而且進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)備工作也比較簡單，主要是被控系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計(jì)算機(jī)編程。而物理仿真則需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝、接線及調(diào)試工作，其投資大、周期長、靈活性差、改變參數(shù)困難、模型難以重用，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理也不方便。數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間比物理仿真大大縮短，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也比物理仿真簡單得多。但由于物理仿真具有信號連續(xù)、運(yùn)算速度快、直觀形象、可信度高等特點(diǎn)，故至今仍然廣泛使用。混合仿真又稱物理一數(shù)學(xué)仿真，它是把數(shù)學(xué)仿真、物理仿真和實(shí)體結(jié)合起來，也就是將系統(tǒng)的一部分描述成數(shù)學(xué)模型，放人計(jì)算機(jī)，而其余部分則構(gòu)建其物理模型或直接采用實(shí)體，組成一個(gè)復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。這種在仿真環(huán)節(jié)中有部分實(shí)物介入的混合仿真也稱為半實(shí)物仿真或者半物理仿真。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD:基于MATLAB的控制系統(tǒng)(第2版)》具有如下特點(diǎn)：符合規(guī)范、內(nèi)容先進(jìn)：根據(jù)教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)規(guī)范和目前最新版本MATLAB 7. 5.0（R2007b）為基礎(chǔ)進(jìn)行修訂。內(nèi)容全面、結(jié)構(gòu)合理：全書結(jié)構(gòu)貫穿一條主線，以MATLAB為平臺(tái)，從系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真，到系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將MATLAB應(yīng)用技術(shù)與控制理論有機(jī)地結(jié)合起來。便于教學(xué)、方便用戶：《計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD:基于MATLAB的控制系統(tǒng)(第2版)》既考慮內(nèi)容的先進(jìn)性，又兼顧教材內(nèi)容的穩(wěn)定性。既考慮課堂教學(xué)使用，又兼顧查閱功能。既反映先進(jìn)的技術(shù)水平，又強(qiáng)調(diào)教學(xué)實(shí)踐的重要性，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。各章節(jié)編排具有相對的獨(dú)立性，便于取舍，以適應(yīng)不同專業(yè)、不同學(xué)時(shí)數(shù)，以及不同層次院校的選學(xué)需要。

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