控制系统数学仿真与CAD

前言

第一章 概述

第一节 控制系统的实验方法

一、解析法

二、实验法

三、仿真实验法

第二节 仿真实验的分类与性能比较

一、按模型分类

二、按计算机类型分类

第三节 系统、模型与数字仿真

一、系统的组成与分类

二、模型的建立及其重要性

三、数字仿真的基本内容

第四节 控制系统CAD与数字仿真软件

一、CAD技术的一般概念

二、控制系统CAD的主要内容

三、数字仿真软件

第五节 仿真技术的应用与发展

一、仿真技术在工程中的应用

二、应用仿真技术的重要意义

三、仿真技术的发展趋势

小结

习题

第二章 控制系统的数学描述

第一节 控制系统的数学模型

一、控制系统数学模型的表示形式

二、数学模型的转换

三、控制系统建模的基本方法

第二节 实现问题

一、单变量系统的可控标准型实现

二、控制系统的数字仿真实现

第三节 常微分方程数值解法

一、数值求解的基本概念

二、数值积分法

三、关于数值积分方法的几点讨论

第四节 数值算法中的“病态”问题

一、“病态”常微分方程

二、控制系统仿真中的“病态”问题

三、“病态”系统的仿真方法

小结

习题

第三章 MATLAB与SIMULINK基础

第一节 引言

第二节 MATLAB的操作与使用

一、简单数学运算

二、变量与数值显示格式

三、文件管理

四、帮助功能

第三节 MATLAB的矩阵运算

一、简单矩阵输入

二、矩阵区算

三、矩阵操作

第四节 绘图

一、二维图形

二、三维图形

第五节 数据处理

一、矩阵分解

二、多项式处理

三、曲线拟合与插值

四、数据分析

五、常微分方程数值解

第六节 流程控制

一、for循环

二、while循环

三、if－else－end结构

四、函数

第七节 控制工具箱

一、系统建模

二、模型转换和降阶

三、分析函数

四、设计函数

第八节 SIMULINK基础

一、SIMULINK的操作

二、模型的构造

三、数值仿真

四、系统分析

第九节 MATLAB的其它资源

一、工具箱

二、网络资源

小结

习题

第四章 控制系统数字仿真的实现

第一节 控制系统的结构及其招扑描述

一、控制系统常见的典型结构形式

二、控制系统的典型环节描述

三、控制系统的联接矩阵

第二节 面向系统结构图的数字仿真

一、典型闭环系统的数字仿真

二、复杂联接的闭环系统数字仿真

第三节 环节的离散化与非线性系统的数字仿真

一、连续系统的离散化模型法

二、非线性系统的数字仿真

第四节 计算机控制系统的数字仿真

一、采样在制系统的数学描述

二、采样控制系统的仿真方法

三、采样控制系统仿真程序实现

小结

习题

第五章 控制系统CAD

第一节 概述

第二节 经典控制理论CAD

一、控制系统因有特性分析

二、控制系统的设计方法

三、控制系统的优化设计

第三节 现代控制理论CAD

一、线性二次型最优控制器设计

二、模型参考自适应控制系统设计

小结

习题

第六章 数字仿真技术的综合应用

第一节 直流电动机双闭环调速系统设计中的若干问题

一、双闭环KZ－D系统的目的

二、关于积分调节器的饱和非线性问题

三、关于ASR与ACR的工程设计问题

四、双闭环KZ－D调速系统的动态分析

第二节 数字PID调节器的鲁棒性设计方法

一、数字PID调节器的鲁棒性设计

二、“高精度齿轮量仪”位置伺服系统控制器设计

第三节 “水箱系统”液位控制的仿真研究

一、系统建模

二、数字仿真

三、结果分析

第四节 管内移动机器人位置预测模糊控制研究

一、管内作业位置的预测模糊控制

二、作业位置预测模糊控制的实现

三、仿真实验

小结

习题

参考文献 2100433B

《控制系统数字仿真与CAD》在总结仿真技术发展状况的基础上，以 MATLAB为平台，系统地阐述了数字仿真的基本概念、原理及方法，概括了控制系统分析与设计中的基本内容。全书共六章，主要包括：控制系统的实验方法、数学描述与模型的建立、MATLAB与SIMULINK基础、数字仿真的实现方法、控制系统CAD及综合应用等内容。各章均配适当习题，有助于读者进一步领会与掌握已学过的有关内容。《控制系统数字仿真与CAD》系工业自动化专业本科生教材，也可作为自动控制、机电控制、自动化类学科的参考用书。《控制系统数字仿真与CAD》为“九五”普通高等教育机电类规划教材。

《控制系统仿真与CAD》以MATLAB 7"_blank" href="/item/自动控制系统/1801668" data-lemmaid="1801668">自动控制系统分析与设计为主线，系统地介绍了控制系统的建模、分析、设计的基本原理和仿真方法。《控制系统仿真与CAD》共分5章，分别为控制系统仿真及工具软件概述、控制系统的数学描述、控制系统分析、控制系统设计与仿真和控制系统CAD——Simulink基础。

《控制系统仿真与CAD》结构清晰，语言简练，图文并茂，并用大量的例题来配合所述内容，由浅入深，生动易学，具有很强的实用性和可操作性，可作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、电子工程、通信等本科专业“控制系统仿真”课程的教材，也可作为工程技术人员的参考用书。

在概述了仿真技术发展进程的基础上，以MATLAB语言为平台，系统地阐述了数字仿真技术的基本概念、原理与方法，概括了控制系统分析与设计中的基本内容，主要包括控制系统的实验方法、系统的数学描述与模型的建立、数字仿真的实现方法、控制系统CAD及其综合应用等。

仿真技术已成为现代工程师必须掌握的基本技能之一。而MATLAB语言的出现，使得数字仿真技术进入实质性的应用阶段。MATLAB计算功能强大、图形功能丰富、易学易用，已成为控制理论与控制工程、图像处理与识别及计算机仿真领域的一个有力工具。控制系统的建模、时域分析、频域分析、控制系统的校正与设计都离不开MATLAB的支持，图像图形的除噪、除雾处理，也离不开MATLAB的支持。

本书通过大量仿真实例，对MATLAB 7.0的功能、操作及其在控制系统和图像处理中的应用进行了阐述和讲解，书中的所有实例程序均经过验证和测试，是编者多年来教学和科研的结晶。本书共7章，第1章概述仿真技术的发展历史和发展趋势。第2章和第3章介绍MATLAB语言基础和控制系统的数学描述与建模，介绍常用的MATLAB基本命令，通过实例描述如何对控制系统进行建模。第4章结合自动控制理论的课程内容，介绍控制系统的时频域分析及校正设计。第5章描述如何运用SIMULINK对控制系统进行仿真，重点介绍了S函数的编写以及如何利用SIMULINK模型与S函数的结合，实现复杂系统的仿真。第6章介绍常用的图像处理命令，以及三个图像处理的仿真实例，包括数字水印版权保护系统、图像融合、雾环境下的图像增强处理等完整系统的仿真程序与实现过程。第7章介绍汽车电子控制系统的仿真实例。

本书的编写分工为：上海工程技术大学吴健珍为主编并编写第1章、第4～6章，罗晓编写第7章，陈剑雪编写第2、3章。上海工程技术大学张莉萍教授为主审。在本书的编写过程中，得到了学院领导和众多老师的支持与帮助，在此一并表示衷心感谢。

虽然编者力求精益求精，但由于水平有限，书中错误和疏漏之处在所难免，敬请广大读者和专家批评指正。

编者

2014年2月