計算機(jī)仿真技術(shù)

前言

本書第一版于2005年8月由化學(xué)工業(yè)出版社出版，使用至今，受到讀者歡迎，也被國內(nèi)許多高校作為計算機(jī)仿真技術(shù)課程的教材。第二版是根據(jù)目前計算機(jī)仿真技術(shù)的最新發(fā)展，以及許多讀者的反饋意見而重新編寫的，并被教育部立項為“普通高等教育‘十一五’國家級規(guī)劃教材”。第二版力求體現(xiàn)面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革的要求，反映現(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)水平和最新研究成果；力求做到突出重點、聯(lián)系工程實際、深入淺出，注重計算機(jī)仿真技術(shù)的概念和原理的講解，更加注重計算機(jī)仿真技術(shù)的實際工程應(yīng)用的培養(yǎng)，避免冗長的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以利于讀者全面掌握計算機(jī)仿真技術(shù)的基本理論和技術(shù)，快速地應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)到實際的工程項目中。第二版與第一版的最大改動之處是第9章，將原書9.1節(jié)、9.2節(jié)和9.3節(jié)精簡為1節(jié)，在本章中新增了9.2節(jié)“快速控制原型”和9.3節(jié)“MATALB/RTW實時仿真工具箱”。這是因為目前嵌入式系統(tǒng)正在成為計算機(jī)應(yīng)用的一個主要領(lǐng)域，其技術(shù)也得到快速的發(fā)展，并已經(jīng)在各個工程領(lǐng)域中得到非常成功的應(yīng)用。社會對從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的人員需求量也正在增大。為此編者在這兩小節(jié)給讀者介紹這兩方面的內(nèi)容，不僅可以使得讀者更加深刻理解計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用領(lǐng)域，而且對于從事嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員也具有較大的參考價值。本次修訂工作由吳旭光教授完成。本書配有電子教案、實驗指導(dǎo)書、實驗程序等，使用本書作為教材的教師可以通過電子郵件txh@cip.com.cn索取。本版內(nèi)容雖有所改進(jìn)，但由于編者水平有限，書中錯誤和不妥之處在所難免，殷切希望使用本書的師生和其他讀者，給予批評指正。

內(nèi)容概要

本書對系統(tǒng)仿真理論、技術(shù)以及仿真方法學(xué)、仿真軟件和應(yīng)用作了詳細(xì)的講述。主要內(nèi)容有：系統(tǒng)仿真的基本概念、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其相互轉(zhuǎn)換、數(shù)值積分法在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用、面向微分方程的仿真程序設(shè)計、面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真法、快速數(shù)字仿真法、控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及仿真、SimuLink建模和仿真、現(xiàn)代仿真技術(shù)、快速控制原型、硬件在回路仿真和仿真應(yīng)用技術(shù)等。 　　本書可以作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生的教材，也可供從事系統(tǒng)控制、系統(tǒng)仿真的科研人員和工程師參考。

書籍目錄

第1章 緒論 　1.1 系統(tǒng)仿真的基本概念 　1.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真技術(shù) 　1.3 離散事件系統(tǒng)仿真技術(shù) 　　1.3.1 離散事件系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 　　1.3.2 離散事件系統(tǒng)的仿真方法 　　1.3.3 離散事件系統(tǒng)仿真語言 　1.4 仿真技術(shù)的應(yīng)用 　　1.4.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)在系統(tǒng)分析、綜合方面的應(yīng)用 　　1.4.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)在仿真器方面的應(yīng)用 　　1.4.3 系統(tǒng)仿真技術(shù)在技術(shù)咨詢和預(yù)測方面的應(yīng)用 　1.5 仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 　　1.5.1 仿真計算機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展 　　1.5.2 計算機(jī)軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展 　　1.5.3 仿真器的現(xiàn)狀與開發(fā) 　本章小結(jié) 　習(xí)題 第2章 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其相互轉(zhuǎn)換 　2.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 　　2.1.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 　　2.1.2 離散時間模型 　　2.1.3 Matlab語言中的模型表示 　　2.1.4 不確定模型 　2.2 實現(xiàn)問題 　2.3 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖向狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)換 　　2.3.1 系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程 　　2.3.2 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程 　　2.3.3 利用Matlab語言對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行描述和轉(zhuǎn)換 　2.4 連續(xù)系統(tǒng)的離散化方程 　　2.4.1 狀態(tài)方程的離散化 　　2.4.2 傳遞函數(shù)的離散化 　　2.4.3 利用Matlab語言進(jìn)行離散化處理 　本章小結(jié) 　習(xí)題 第3章 數(shù)值積分法在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用 　3.1 在系統(tǒng)仿真中常用的數(shù)值積分法 　　3.1.1 歐拉法和改進(jìn)的歐拉法 　　3.1.2 龍格-庫塔法 　　3.1.3 線性多步法 　　3.1.4 Matlab語言中的常微分方程求解指令和使用方法 　3.2 剛性系統(tǒng)的特點及算法 　3.3 實時仿真算法 　3.4 分布參數(shù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真 　　3.4.1 模型形式和性質(zhì) 　　3.4.2 差分解法 　　3.4.3 線上求解法 　　3.4.4 Matlab語言在偏微分方程解法中的應(yīng)用 　3.5 面向微分方程的仿真程序設(shè)計 　本章小結(jié) 　習(xí)題 第4章 面向結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真法 　4.1 典型環(huán)節(jié)仿真模型的確定 　4.2 結(jié)構(gòu)圖離散相似法仿真 　4.3 非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真 　4.4 連續(xù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖仿真及程序 　　4.4.1 CSSF程序包簡單介紹 　　4.4.2 Micro-CSS仿真程序 　　4.4.3 MCSS仿真程序的使用方法 　　4.4.4 MCSS仿真程序分析 　　4.4.5 代數(shù)環(huán)問題 　本章小結(jié) 　習(xí)題 第5章 快速數(shù)字仿真法 　5.1 增廣矩陣法 　5.2 替換法 　　5.2.1 簡單替換法 　　5.2.2 雙線性變換 　　5.2.3 狀態(tài)方程的雙線性變換 　5.3 零極點匹配法 　5.4 計算機(jī)控制系統(tǒng)仿真 　本章小結(jié) 　習(xí)題 第6章 控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及仿真第7章 Simulink建模和仿真第8章 現(xiàn)代仿真技術(shù)第9章 仿真應(yīng)用技術(shù) 附錄 實驗一 面向微分方程的數(shù)字仿真 實驗二 連續(xù)系統(tǒng)的離散化仿真 實驗三 面向結(jié)構(gòu)圖仿真 實驗四 單純型法參數(shù)尋優(yōu) 實驗五 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)最優(yōu)化仿真 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章　緒論本章將介紹系統(tǒng)仿真的基本概念。它將從橫向和縱向來闡述系統(tǒng)仿真的內(nèi)涵，所有內(nèi)賓將為學(xué)習(xí)和以后更進(jìn)一步地研究計算機(jī)仿真技術(shù)建立一個基礎(chǔ)。（1）系統(tǒng)與模型系統(tǒng)就是一些具有特定功能的、相互間以一定規(guī)律聯(lián)系著的物體所組成的一個總體。顯然，系統(tǒng)是一個廣泛的概念，毫無疑問它在現(xiàn)代科學(xué)研究和工程實踐中扮演著重要的角色。不同領(lǐng)域的問題均可以用系統(tǒng)的框架來解決。但究竟一個系統(tǒng)是由什么構(gòu)成的，這取決于觀測者的觀點。例如，這個系統(tǒng)可以是一個由一些電子部件組成的放大器；或者是一個可能包括該放大器在內(nèi)的控制回路；或者是一個有許多這樣回路的化學(xué)處理裝置；或者是一些裝置組成的一個工廠：或者是一些工廠的聯(lián)合作業(yè)形成的系統(tǒng)，而世界經(jīng)濟(jì)就是這個系統(tǒng)的環(huán)境。一個系統(tǒng)可能非常復(fù)雜，也可能很簡單，因此很難給“系統(tǒng)”下一個確切的定義。因為這個定義不但能夠足以概括系統(tǒng)的各種應(yīng)用，而且又能夠簡明地把這個定義應(yīng)用于實際。但無論什么系統(tǒng)一般均具有4個重要的性質(zhì)，即整體性、相關(guān)性、有序性和動態(tài)性。首先，必須明確系統(tǒng)的整體性。也就是說，它作為一個整體，各部分是不可分割的。就好像人體，它由頭、身軀、四肢等多個部分組成，如果把這些部分拆開，就不能構(gòu)成完整的人體。至于人們熟悉的自動控制系統(tǒng)，其基本組成部分（控制對象、測量元件、控制器等）同樣缺一不可。整體性是系統(tǒng)的第一特性。其次，要明確系統(tǒng)的相關(guān)性。相關(guān)性是指系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間相互以一定的規(guī)律聯(lián)系著，它們之問的特定關(guān)系形成了具有特定性能的系統(tǒng)。有時系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系。也正是由于這種非線性，才構(gòu)成了這個多彩的世界。對于復(fù)雜的非線性關(guān)系，必須研究其復(fù)雜性與整體性。再以人體為例，人的雙眼視敏度是單眼視敏度的6～10倍。此外，雙眼有立體感，而單眼卻無此特點。這就是一種典型的非線性特征，因此相關(guān)性是系統(tǒng)的第二特性，也是目前系統(tǒng)研究的主要問題。

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