控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真

前言

　　第2版前言　　本書(shū)是《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真》（ISBN7-121-02809-3）一書(shū)的第2版。本書(shū)第1版于2006年出版，被國(guó)內(nèi)多所高校選作教材，受到廣泛好評(píng)。為了適應(yīng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展及新形勢(shì)下本科教育改革的需求，我們對(duì)第1版進(jìn)行了修訂。在保留第1版主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了以下修改和補(bǔ)充：　?。?）在常用快速數(shù)字仿真算法中增加增廣矩陣法和時(shí)域矩陣法；　?。?）在采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真中增加純滯后環(huán)節(jié)的仿真方法；　?。?）增加實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)作為附錄，以加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用仿真技術(shù)分析解決實(shí)際問(wèn)題能力；　　（4）增加若干仿真實(shí)例，并對(duì)其余部分做了適當(dāng)修改，改正了第1版中存在的疏漏?！　”緯?shū)的內(nèi)容是按照48學(xué)時(shí)編寫(xiě)的，也可以壓縮為32學(xué)時(shí)來(lái)講授。在使用本書(shū)時(shí)，可以根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)的要求和特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行取舍。上機(jī)實(shí)驗(yàn)是本課程教學(xué)必不可少的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合理論教學(xué)開(kāi)設(shè)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，以深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和仿真方法的理解，提高其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力?！　”緯?shū)由東南大學(xué)蔣珉、柴干、河海大學(xué)王宏華和江蘇大學(xué)劉國(guó)海共同編寫(xiě)。書(shū)中的第1章、第2章、第4章、附錄A和附錄B由蔣珉編寫(xiě)；第3章由王宏華編寫(xiě)；第5章由劉國(guó)海編寫(xiě)；第6章和附錄C由柴干編寫(xiě)。全書(shū)由東南大學(xué)蔣珉統(tǒng)稿?！　∧暇┐髮W(xué)控制與系統(tǒng)工程系焦小澄教授擔(dān)任本書(shū)第1版的主審，提出了許多寶貴的指導(dǎo)意見(jiàn)。東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院孟正大教授為本書(shū)的編寫(xiě)提供了許多素材，并給予了積極的幫助和鼓勵(lì)。在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中，參考了大量的國(guó)內(nèi)外著作和文獻(xiàn)，在此致以由衷的謝意。東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院研究生李?yuàn)檴櫤椭苷篂楸緯?shū)的圖形編輯和文字校對(duì)做了許多工作，在此表示感謝?！　?duì)于本版中存在的錯(cuò)誤和不妥之處，繼續(xù)懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。　　編著者　　2012年3月

內(nèi)容概要

　　本書(shū)包括概述、數(shù)字仿真的基本方法、參數(shù)優(yōu)化技術(shù)和仿真應(yīng)用4部分內(nèi)容。第一部分介紹控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的基本概念、仿真研究的步驟、控制系統(tǒng)仿真的數(shù)學(xué)模型和仿真軟件；第二部分介紹連續(xù)控制系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的一些通用基本方法；第三部分介紹控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用；第四部分介紹仿真建模和仿真工程應(yīng)用實(shí)例。附錄部分給出了與本課程密切相關(guān)的6個(gè)實(shí)驗(yàn)。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論
1. 1 計(jì)算機(jī)仿真的基本概念
1. 1. 1 系統(tǒng)
1. 1. 2 模型
1.1.3 仿真
1. 2 計(jì)算機(jī)仿真研究的步驟
1. 3 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)
1. 3.1 仿真的試驗(yàn)性質(zhì)
1.3. 2 仿真法與解析法
1.4 計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用和發(fā)展
1.4.1 計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用的類(lèi)型
1.4.2 計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)點(diǎn)
1.4.3 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展與現(xiàn)狀
1.5 控制系統(tǒng)仿真的數(shù)學(xué)模型
1.5.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
1.5.2 離散時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
1.5.3 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
1.6 數(shù)字仿真軟件簡(jiǎn)介
1.6.1 數(shù)字仿真軟件的主要功能與基本結(jié)構(gòu)
1.6.2 MATLAB/Simulink仿真環(huán)境
小結(jié)
思考題與習(xí)題
第2章 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法
2. 1 數(shù)值積分算法
2.1.1 數(shù)值積分算法的基本原理
2.1.2 歐拉法
2.1.3 龍格-庫(kù)塔法
2.1.4 微分方程數(shù)值積分的矩陣分析
2. 2 數(shù)值積分算法的基本分析
2.2.1 單步法和多步法
2.2.2 顯式算法和隱式算法
2.2.3 截?cái)嗾`差和舍入誤差
2.2.4 數(shù)值積分算法的計(jì)算穩(wěn)定性
2.2.5 數(shù)值積分算法的計(jì)算精度、速度、穩(wěn)定性與步長(zhǎng)的關(guān)系
2.2.6 數(shù)值積分算法的選擇原則
2.2.7 誤差估計(jì)與步長(zhǎng)控制
2.2.8 數(shù)值積分算法仿真實(shí)例
2.3 連續(xù)系統(tǒng)仿真的離散相似算法
2.3.1 時(shí)域離散相似算法的基本概念
2.3.2 時(shí)域離散化模型的推導(dǎo)
2.3.3 時(shí)域離散化模型的特性分析
2.3.4 時(shí)域離散算法仿真實(shí)例
2.4 常用快速數(shù)字仿真算法
2.4.1 仿真中對(duì)快速性的需求
2.4.2 替換法
2.4.3 根匹配法
2.4.4 增廣矩陣法
2.4.5 時(shí)域矩陣法
2. 5 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真算法
2.5.1 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的概念
2.5.2 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真算法的特性
2.5.3 常用的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真算法
小結(jié)
思考題與習(xí)題
第3章 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真
3. 1 采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真概述
3.1.1 采樣控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)
3.1.2 采樣控制系統(tǒng)仿真的特殊問(wèn)題
3.2 采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的一般方法
3.2.1 差分方程遞推求解法
3.2.2 采用雙重循環(huán)方法對(duì)離散部分和連續(xù)部分分別計(jì)算
3.2.3 純滯后環(huán)節(jié)的仿真方法
3.3 MATLAB在采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真中的應(yīng)用
3.3.1 應(yīng)用MATLAB函數(shù)求采樣系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)
3.3.2 基于Simulink的采樣控制系統(tǒng)仿真
小結(jié)
思考題與習(xí)題
第4章 控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真
4.1 控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的基本概念
4.1.1 兩類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題
4.1.2 問(wèn)題的提法及專(zhuān)用名詞
4.1.3 尋優(yōu)途徑及優(yōu)化方法的評(píng)價(jià)
4.1.4 控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)成
4.1.5 數(shù)字仿真在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的作用
4.2 單純形法
4.2.1 單純形法原理
4.2.2 單純形的構(gòu)成
4.2.3 改進(jìn)單純形法
4.3 控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)例
4.3.1 電機(jī)電壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
4.3.2 兩種尋優(yōu)參照對(duì)象
4.3.3 尋優(yōu)程序與Simulink模型之間的信息傳遞
4.3.4 仿真運(yùn)行與結(jié)果分析
小結(jié)
思考題與習(xí)題
第5章 控制系統(tǒng)的仿真建模
5.1 問(wèn)題的描述與模型的定義
5.2 控制系統(tǒng)模型的建立
5.2.1 建模要求和原則
5.2.2 建模過(guò)程的信息源
5.2.3 建模方法
5.2.4 最小二乘參數(shù)估計(jì)
5.2.5 模型的階次辨識(shí)
5.2.6 控制系統(tǒng)仿真建模的步驟
5.3 控制系統(tǒng)模型的確認(rèn)和修改
5.4 控制系統(tǒng)仿真建模的實(shí)例
5.4.1 機(jī)理建模法
5.4.2 試驗(yàn)方法
5.4.3 基于MATLAB的系統(tǒng)模型估計(jì)
小結(jié)
思考題與習(xí)題
第6章 仿真的工程應(yīng)用實(shí)例
6.1 旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的建模與仿真
6.1.1 旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)簡(jiǎn)介
6.1.2 倒立擺的建模與線性化
6.1.3 仿真運(yùn)行與結(jié)果分析
6.2 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)仿真優(yōu)化
6.2.1 系統(tǒng)模型
6.2.2 仿真運(yùn)行
6.2.3 結(jié)果分析
6.3 苯乙烯本體聚合的動(dòng)力學(xué)仿真
6.3.1 系統(tǒng)建模
6.3.2 仿真運(yùn)行
6.3.3 結(jié)果分析
小結(jié)
思考題與習(xí)題
附錄A 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
實(shí)驗(yàn)1 面向一階微分方程組的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)3 連續(xù)系統(tǒng)離散相似法的數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)4 連續(xù)系統(tǒng)的快速數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)5 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)6 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器最優(yōu)參數(shù)的選擇實(shí)驗(yàn)
附錄B 改進(jìn)單純形法的MATLAB程序
附錄C 苯乙烯本體聚合動(dòng)力學(xué)仿真的MATLAB程序
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：    系統(tǒng)的分類(lèi)有許多種，這里僅介紹計(jì)算機(jī)仿真中常用的一種分類(lèi)。 （1）連續(xù)系統(tǒng) 系統(tǒng)的狀態(tài)是隨時(shí)間連續(xù)變化的，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)（連續(xù)系統(tǒng)）。在溫度控制系統(tǒng)中，溫度及傳感器輸出量等都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，因而是連續(xù)系統(tǒng)。 （2）離散系統(tǒng) 系統(tǒng)的狀態(tài)只能為有限個(gè)值的系統(tǒng)，或系統(tǒng)的狀態(tài)只在某些時(shí)刻才能反映的系統(tǒng)，稱(chēng)為離散系統(tǒng)。例如，交通信號(hào)燈系統(tǒng)、售票系統(tǒng)及電話交換機(jī)系統(tǒng)等均屬于離散系統(tǒng)。由于交通信號(hào)燈的“亮”與“熄”、售票系統(tǒng)中顧客的到達(dá)與離去、電話交換機(jī)系統(tǒng)中電話接通與斷開(kāi)等變化都發(fā)生在一組離散的時(shí)刻上，因而它們都是離散系統(tǒng)。需要指出的是，在不同的研究目的下，采用的描述方法不同，離散系統(tǒng)又可以分為離散時(shí)間系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸入量、輸出量都是在離散瞬間產(chǎn)生的數(shù)字量，而且離散時(shí)刻點(diǎn)是預(yù)先確知的，因而它們之間的關(guān)系一般可以用差分方程或離散狀態(tài)方程來(lái)描述，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為離散時(shí)間系統(tǒng)。售票系統(tǒng)則屬于另外一類(lèi)離散系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)改變是由在離散瞬間發(fā)生的事件所驅(qū)動(dòng)的，而且離散瞬間點(diǎn)是預(yù)先未知的。這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為離散事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為離散事件系統(tǒng)。 （3）采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 系統(tǒng)中一部分具有連續(xù)系統(tǒng)的特征，另一部分具有離散時(shí)間系統(tǒng)的特征，這類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，也稱(chēng)為連續(xù)一離散時(shí)間混合系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是典型的采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制器的輸入與輸出信號(hào)是發(fā)生在特定時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)字量，而被控對(duì)象的輸入與輸出一般都是連續(xù)變化的物理量。 （4）離散一連續(xù)系統(tǒng) 具有離散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)兩種特征的系統(tǒng)稱(chēng)為離散事件一連續(xù)混合系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為離散一連續(xù)系統(tǒng)。例如，卸油碼頭系統(tǒng)就屬于離散～連續(xù)系統(tǒng)。假設(shè)一艘油輪滿載原油到達(dá)只有一個(gè)舶位的卸油碼頭，給碼頭的儲(chǔ)油罐補(bǔ)充原油，并通過(guò)管道輸送到煉油廠進(jìn)行煉制。由于只有一個(gè)舶位，如果碼頭上已有油輪工作時(shí)，新到的油輪就得排隊(duì)等候。當(dāng)該油輪開(kāi)始工作后，它就按照一定的卸油速率將原油輸送到煉油廠。在這個(gè)系統(tǒng)中，油輪到達(dá)、排隊(duì)等候，卸完油后離開(kāi)碼頭均以船只為單位，是離散事件，具有離散事件系統(tǒng)特征；而卸油過(guò)程、儲(chǔ)油罐中的油量變化具有連續(xù)系統(tǒng)特征。 值得一提的是，在實(shí)際中完全連續(xù)或者完全離散的系統(tǒng)是很少的，把一個(gè)系統(tǒng)描述成連續(xù)的、離散的或混合的，是根據(jù)研究的目的而確定的。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)在某種變化類(lèi)型占優(yōu)勢(shì)時(shí)，通常將它歸人相應(yīng)的系統(tǒng)類(lèi)型。

編輯推薦

《普通高等教育"十二五"規(guī)劃教材?電氣工程、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)規(guī)劃教材:控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真(第2版)》可作為高等院校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀表等專(zhuān)業(yè)本科生的教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。

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