控制系統(tǒng)仿真

前言

系統(tǒng)仿真技術是一門多學科綜合的應用技術學科，也是一門近年來發(fā)展迅速的新興學科。仿真技術除用于航空、航天和原子能等領域外，也廣泛應用在冶金、化工、船舶、電力控制及一般工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，它在建立新的控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)排故、確定最優(yōu)控制規(guī)律和方案以及人員培訓等方面都有著廣泛應用。特別是在航空發(fā)動機控制系統(tǒng)以及飛行控制系統(tǒng)等的研制、生產(chǎn)和使用的各個階段，仿真技術均起著重要的作用，不論控制器是機械液壓式、氣動式、電子式，還是數(shù)字控制式，通過仿真均可獲得系統(tǒng)的有關特性。本書力求理論與工程實際相結合，使讀者不僅能掌握數(shù)字仿真的基本原理，而且能實際應用仿真技術進行控制系統(tǒng)的設計、分析和研究。一方面，系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)設計與分析過程中所涉及的仿真理論以及仿真方法。首先分析系統(tǒng)理論、系統(tǒng)辨識與系統(tǒng)仿真三者的關系，初步介紹了仿真的過程及仿真技術的應用，使讀者對仿真技術有一個全面的認識；然后分別介紹各種仿真理論，包括連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真、數(shù)字控制器控制規(guī)律的實現(xiàn)以及實時仿真、控制系統(tǒng)的參數(shù)最優(yōu)化技術。另一方面，從仿真技術的理論分析入手，以工程應用為目標，通過一些工程實例介紹仿真技術的應用，介紹數(shù)字仿真技術的最新發(fā)展與應用以及國際上廣泛使用的優(yōu)秀數(shù)字仿真軟件的使用方法和先進的可視化數(shù)字仿真技術的基本原理。以發(fā)動機控制系統(tǒng)以及飛行控制系統(tǒng)為對象，介紹非線性模型及數(shù)字仿真技術的應用，其中包括發(fā)動機部件級模型以及狀態(tài)方程模型的動態(tài)特性的仿真，并在數(shù)字仿真的基礎上，介紹半物理仿真的過程以及研制方法。通過本書的學習，讀者能加深對控制理論的理解，并具備利用仿真技術開發(fā)控制系統(tǒng)的初步能力。

內(nèi)容概要

　　《控制系統(tǒng)仿真》系統(tǒng)地介紹控制系統(tǒng)設計與分析過程中所涉及的仿真理論以及方法。首先介紹仿真的基本概念、仿真的過程、仿真技術的發(fā)展及應用情況；然后分別介紹各種工程上常用的仿真理論和方法：數(shù)值積分法仿真連續(xù)系統(tǒng)，連續(xù)系統(tǒng)的離散化仿真、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真、數(shù)字控制器控制規(guī)律的實現(xiàn)與實時仿真以及控制系統(tǒng)的參數(shù)最優(yōu)化技術；最后分別以發(fā)動機控制系統(tǒng)以及飛行控制系統(tǒng)為對象，介紹飛機和發(fā)動機控制系統(tǒng)的建模過程、其動態(tài)特性的數(shù)字仿真方法以及半物理仿真實驗方法。書中給出了用C語言和MATLAB實現(xiàn)的仿真方法和一些仿真實例。　　《控制系統(tǒng)仿真》適用于具有自動控制理論基礎的機械及機電類專業(yè)本科生及工程人員作教材或參考書。.

書籍目錄

第1章 概述1.1 仿真的基本概念1.2 數(shù)字仿真的基本過程1.3 仿真技術的發(fā)展與趨勢1.4 仿真技術的應用習題第2章 數(shù)值積分法仿真連續(xù)系統(tǒng)2.1 一般概念2.2 數(shù)值積分法2.3 龍格庫塔法2.4 亞當姆斯法2.5 數(shù)值積分法中的若干問題2.6 數(shù)字仿真程序習題第3章 連續(xù)系統(tǒng)的離散化仿真3.1 替換法3.2 根匹配法3.3 離散相似法3.4 增廣矩陣法3.5 數(shù)字仿真程序設計3.6 用z變換法建立系統(tǒng)的差分方程3.7 離散模型的精度和穩(wěn)定性3.8 采用補償器提高仿真模型的穩(wěn)定性和精度習題第4章 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真與設計4.1 采樣控制系統(tǒng)4.2 采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真4.3 數(shù)字控制器控制規(guī)律的實現(xiàn)4.4 含PID控制器的實時仿真習題第5章 控制系統(tǒng)優(yōu)化技術5.1 控制系統(tǒng)最優(yōu)化問題概述5.2 性能指標5.3 單參數(shù)尋優(yōu)技術5.4 無約束條件下多參數(shù)尋優(yōu)技術習題第6章 控制系統(tǒng)MATLAB仿真6.1 先進仿真軟件6.2 M文件與MATLAB函數(shù)6.3 控制系統(tǒng)MATLAB仿真6.4 MATLAB仿真集成環(huán)境工具SIMULINK第7章 建模與仿真7.1 航空發(fā)動機建模與仿真7.2 無人機建模與仿真附錄附錄1 四階龍格庫塔法仿真程序一附錄2 四階龍格庫塔法仿真程序二附錄3 離散相似法仿真含非線性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)附錄4 采樣控制系統(tǒng)的仿真附錄5 雙速率采樣控制系統(tǒng)的仿真附錄6 實時PID控制附錄7 黃金分割法附錄8 二次插值法附錄9 最速下降法附錄10 共軛梯度法附錄11 單純形法PID參數(shù)尋優(yōu)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概述1.1 仿真的基本概念1.1.1 仿真的定義在控制系統(tǒng)的分析、設計和使用過程中，控制系統(tǒng)的性能是人們關注的焦點。要想獲得系統(tǒng)的性能特點，最直接的手段就是實物實驗?？墒怯捎诙喾矫娴脑颍灰擞?，甚至不可能在實物上進行實驗。首先，實物實驗花費大、周期長，尤其在新的控制規(guī)律試驗和故障復現(xiàn)中有時是很危險的；此外，實物實驗還必須是在控制系統(tǒng)研制出來以后進行，這就難以事先給設計人員提供信息來指導他們進行正確設計。因此很自然地人們就產(chǎn)生了用模型代替實物進行實驗的想法，這種基于模型的實驗就是廣義上的仿真（Simulation）。仿真形成為一門專門的學科雖然為時不長，但人們采用仿真技術卻有很長的歷史了。早在1872年英國皇家海軍就曾采用按比例縮小的艦船模型在水池中進行試驗，以確定所設計的船舶的各項性能指標是否達到要求，并據(jù)此改進設計。直到現(xiàn)在，這種用按比例縮小的物理模型進行仿真實驗的方法仍廣泛用于水力學、空氣動力學和熱力學等技術學科。隨著科學技術的發(fā)展，仿真逐漸成為一門專門的技術。它是以相似原理、控制理論、信息技術及其運用領域的專業(yè)技術為基礎，以計算機和專用物理效應設備（模型再現(xiàn)真實世界環(huán)境）為工具，借助系統(tǒng)模型對實際或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗研究的一門綜合性技術。它是分析和研究系統(tǒng)運行行為、揭示系統(tǒng)動態(tài)過程和運動規(guī)律的一種重要手段和方法。1.1.2 物理仿真、半物理仿真和數(shù)學仿真按照仿真時所采用的模型種類，可以把仿真分為物理仿真和數(shù)學仿真。所謂物理仿真，就是采用一個與實際對象相似的實體作為模型所進行的仿真。這種模型是滿足某些相似條件下的實物模型，有時也稱為實物相似模型。此外，在醫(yī)學中用藥物對動物進行某些疾病控制作用的實驗，以決定藥物對人類的適用性，這也是一種物理仿真。在這種情況下，人就是真實系統(tǒng)，動物就是系統(tǒng)模型。在此值得一提的是，在幾何相似條件下的比例模型（即把對象幾何尺寸按比例放大或縮小的物理模型）是一類重要的物理模型，如水池中的艦船模型和風洞中的飛機模型等。

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