控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

前言

控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真是分析、研究、設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種快速和經(jīng)濟(jì)的輔助手段，同時(shí)它還是控制系統(tǒng)教育和訓(xùn)練的一種有效方法，是從事自動(dòng)控制研究與工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員必須掌握的一門技術(shù)。因而在自動(dòng)控制領(lǐng)域中已得到廣泛的重視與應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)仿真，首先是研究如何將由系統(tǒng)建模得到的數(shù)學(xué)模型離散化，使之成為既適合于計(jì)算機(jī)計(jì)算又有良好計(jì)算精度與數(shù)值穩(wěn)定性的仿真模型，簡(jiǎn)單地說就是模型離散化。其次是解決如何將欲仿真控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各種參數(shù)及初值等輸入計(jì)算機(jī)，最后進(jìn)行仿真計(jì)算，輸出所需形式的仿真結(jié)果。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是一種包含計(jì)算機(jī)硬件、軟件與設(shè)計(jì)者的人機(jī)共存系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)者與計(jì)算機(jī)相互作用并共同有效地工作，以完成預(yù)想的工作。由于這部分的內(nèi)容十分豐富，類似的出版物也很多，因此本書取材時(shí)盡量避免與類似的出版物內(nèi)容重復(fù)且側(cè)重于作者多年來在教學(xué)、科研及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用過的一些方法。例如，第6章計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，為避免與系統(tǒng)辨識(shí)等著作重復(fù)，這部分內(nèi)容就沒有列入，而著重介紹目前國內(nèi)外在工業(yè)應(yīng)用中常用的測(cè)試方法。第7～9章的一些方法也均被作者使用過，這幾章的例子均出自實(shí)際應(yīng)用。為了給出計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)較完整的概念，本書第10章介紹了目前國際上較通用的一些CADCS軟件，如MATLAB等的功能及特點(diǎn)。本書立足于控制系統(tǒng)數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論與概念，根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，理淪與實(shí)際相結(jié)合，并注意到知識(shí)的完整性與系統(tǒng)性，沒有面面俱到地去羅列一些已經(jīng)廣泛見者于類似著作中的方法。

內(nèi)容概要

　　《控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（第2版）》的前5章是控制系統(tǒng)數(shù)字仿真部分，包括連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型表示方法及實(shí)現(xiàn)、連續(xù)系統(tǒng)的離散化、連續(xù)控制系統(tǒng)的仿真、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真等內(nèi)容，在取材及編排上根據(jù)多年的教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)做了一定的處理，以期突出基本原理及概念。第6～9章著重介紹作者在應(yīng)用實(shí)踐中已經(jīng)證明是行之有效的方法，內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、基于頻域的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)、基于時(shí)域的線性控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，其中不但涉及PID控制器、先進(jìn)控制器的輔助設(shè)計(jì)與仿真，而且結(jié)合了編者在應(yīng)用中的實(shí)例，具有鮮明的理論聯(lián)系實(shí)際特色。第10章從應(yīng)用角度，進(jìn)一步介紹了目前國際上較通用的一些CACSD軟件及其功能，著重介紹目前應(yīng)用的主流產(chǎn)品MATLAB。　　《控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（第2版）》立足于控制系統(tǒng)數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論與概念，注重理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，在注意到知識(shí)的完整性與系統(tǒng)性的同時(shí)，沒有面面俱到地去羅列一些已經(jīng)廣泛見諸于類似著作中的方法?！　　犊刂葡到y(tǒng)的數(shù)字仿真及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（第2版）》既可作為普通高等院校自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)相應(yīng)課程的教材，還可廣大從事自動(dòng)控制的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1 概論1.1 仿真技術(shù)概述1.1.1 仿真技術(shù)簡(jiǎn)介1.1.2 仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的形成與發(fā)展習(xí)題2 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型表示方法及實(shí)現(xiàn)2.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型表示方法2.1.1 連續(xù)時(shí)間模型2.1.2 離散時(shí)間模型2.1.3 連續(xù)離散混合模型2.1.4 數(shù)學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)換2.2 實(shí)現(xiàn)問題2.2.1 可控標(biāo)準(zhǔn)型2.2.2 可觀標(biāo)準(zhǔn)型2.2.3 對(duì)角標(biāo)準(zhǔn)型2.2.4 若當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型2.2.5 傳遞函數(shù)中分子分母同階次時(shí)的處理2.2.6 狀態(tài)初值的通用求解方法習(xí)題3 連續(xù)系統(tǒng)的離散化3.1 引言3.1.1 解析解與數(shù)值解3.1.2 常微分方程初值問題和邊值問題3.1.3 線性常微分方程組的穩(wěn)定性3.1.4 病態(tài)微分方程組3.1.5 數(shù)值解的穩(wěn)定性3.1.6 數(shù)值計(jì)算中誤差的來源3.2 數(shù)值分析方法3.2.1 化導(dǎo)數(shù)為差商的方法3.2.2 泰勒展式法3.2.3 數(shù)值積分法3.3 常用的數(shù)值積分方法3.3.1 單步法3.3.2 多步法3.3.3 預(yù)估校正法3.3.4 數(shù)值積分方法的選擇3.4 離散相似法離散連續(xù)系統(tǒng)3.4.1 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散化3.4.2 連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的離散化3.4.3 快速數(shù)字仿真算法3.4.4 信號(hào)重構(gòu)3.4.5 保持器的傳遞函數(shù)及其頻率特性3.4.6 離散相似模型的校正習(xí)題4 連續(xù)控制系統(tǒng)的仿真4.1 仿真模型的結(jié)構(gòu)4.1.1 面向閉環(huán)系統(tǒng)微分方程（或傳遞函數(shù)）的數(shù)字仿真4.1.2 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真4.2 典型環(huán)節(jié)的離散化系統(tǒng)及其差分方程4.2.1 三階環(huán)節(jié)4.2.2 滯后環(huán)節(jié)4.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的數(shù)值表示方法4.4 非線性系統(tǒng)的仿真4.4.1 飽和、分段線性及失靈區(qū)非線性特性4.4.2 間隙非線性特性4.4.3 繼電及具有死區(qū)的繼電非線性特性4.4.4 具有滯環(huán)的繼電非線性特性4.4.5 具有死區(qū)和滯環(huán)的繼電非線性特性4.5 關(guān)于仿真誤差及數(shù)值穩(wěn)定性問題4.5.1 截?cái)嗾`差4.5.2 舍入誤差習(xí)題5 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真5.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真5.2 數(shù)字控制器的仿真習(xí)題6 計(jì)算機(jī)輔助建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型6.1 用經(jīng)典時(shí)域辨識(shí)法建立對(duì)象動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型6.1.1 階躍響應(yīng)與方波響應(yīng)6.1.2 低階傳遞函數(shù)模型的建立6.1.3 從響應(yīng)曲線求對(duì)象的微分方程模型6.2 用頻域法辨識(shí)系統(tǒng)模型6.2.1 由系統(tǒng)脈沖過渡函數(shù)g（t）計(jì)算頻率特性6.2.2 由系統(tǒng)的頻率特性擬合傳遞函數(shù)6.3 用相關(guān)分析法辨識(shí)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)6.3.1 相關(guān)分析法的理論基礎(chǔ)6.3.2 相關(guān)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)求取方法6.3.3 用白噪聲測(cè)定系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)6.3.4 用偽隨機(jī)信號(hào)辨識(shí)脈沖響應(yīng)函數(shù)習(xí)題7 基于頻域的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)7.1 單變量系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析7.1.1 勞斯判據(jù)7.1.2 霍爾維茨穩(wěn)定判據(jù)7.2 傳遞函數(shù)的頻率特性計(jì)算7.2.1 因式分解形式的傳遞函數(shù)頻率特性計(jì)算7.2.2 直接計(jì)算多項(xiàng)式表示的傳遞函數(shù)頻率特性7.2.3 系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度7.3 基于頻域法的單變量控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)7.3.1 基于頻域法的串聯(lián)校正原理7.3.2 校正裝置傳遞函數(shù)的計(jì)算7.4 多變量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域方法簡(jiǎn)介7.4.1 概述7.4.2 基本概念7.4.3 現(xiàn)代頻域方法簡(jiǎn)介習(xí)題8 PID控制器的計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)8.1 PID控制器8.1.1 標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法8.1.2 標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法的改進(jìn)8.1.3 連續(xù)系統(tǒng)PID控制器仿真及設(shè)計(jì)8.1.4 數(shù)字PID控制器仿真及設(shè)計(jì)8.2 PID控制器的參數(shù)自動(dòng)整定8.2.1 PID控制器的參數(shù)整定與自動(dòng)整定8.2.2 基于繼電反饋控制的PID控制器參數(shù)自動(dòng)整定8.2.3 示例8.3 魯棒PID控制器參數(shù)整定8.3.1 魯棒PID控制器參數(shù)整定思想8.3.2 魯棒PID控制器參數(shù)整定算法8.3.3 魯棒PID控制器示例習(xí)題9 基于時(shí)域的線性控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)9.1 狀態(tài)反饋和極點(diǎn)配置9.1.1 系統(tǒng)的狀態(tài)能控性和狀態(tài)能觀性9.1.2 狀態(tài)反饋和輸出反饋9.1.3 單輸入系統(tǒng)的極點(diǎn)配置9.1.4 多輸入系統(tǒng)的極點(diǎn)配置9.2 具有線性二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制系統(tǒng)9.2.1 概述9.2.2 狀態(tài)調(diào)節(jié)器9.2.3 最優(yōu)線性輸出調(diào)節(jié)器問題9.2.4 具有期望衰減度的線性二次型調(diào)節(jié)器9.3 魯棒控制器9.3.1 概述9.3.2 魯棒控制器的定義9.3.3 魯棒控制器的存在條件9.3.4 魯棒控制器的結(jié)構(gòu)9.3.5 魯棒控制器的性質(zhì)9.4 模型預(yù)測(cè)控制器9.4.1 預(yù)測(cè)控制基本原理9.4.2 預(yù)測(cè)控制算法介紹9.4.3 參數(shù)選擇9.4.4 多變量DMC算法9.5 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用實(shí)例之9.5.1 造紙生產(chǎn)過程簡(jiǎn)介9.5.2 計(jì)算機(jī)輔助建立紙機(jī)模型9.5.3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)9.5.4 控制系統(tǒng)實(shí)施9.6 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用實(shí)例之二9.6.1 常壓塔控制回路工藝9.6.2 常壓塔先進(jìn)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)9.6.3 常壓塔多變量預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)9.6.4 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)9.6.5 控制系統(tǒng)實(shí)施習(xí)題10 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件10.1 CACSD簡(jiǎn)介10.1.1 CACSD軟件形成的歷史背景10.1.2 CACSD的主要內(nèi)容及特點(diǎn)10.1.3 CACSD軟件國內(nèi)外發(fā)展概況10.2 MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.2.1 MATLAB控制功能介紹10.2.2 基于SIMULINK的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.2.3 MATLAB在倒擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用10.2.4 MATLAB類軟件介紹10.3 SLICOT軟件10.3.1 SLICOT功能介紹10.3.2 算法改進(jìn)10.3.3 性能比較10.4 采樣控制系統(tǒng)軟件DirectSD10.4.1 理論基礎(chǔ)10.4.2 系統(tǒng)描述10.4.3 最優(yōu)隨機(jī)控制10.4.4 最優(yōu)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10.4.5 最優(yōu)穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例10.5 CACSD的技術(shù)現(xiàn)狀和展望習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1 概論1.1 仿真技術(shù)概述1.1.1 仿真技術(shù)簡(jiǎn)介仿真（simulation），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。仿真所遵循的基本原則是相似原理，即幾何相似及數(shù)學(xué)相似。依據(jù)這個(gè)原理，仿真可分為物理仿真和數(shù)學(xué)仿真（數(shù)學(xué)仿真又可分為模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真）。所謂物理仿真，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的物理模型（例如飛機(jī)模型放在與氣流場(chǎng)相似的風(fēng)洞中）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。所謂數(shù)學(xué)仿真，就是應(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)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)仿真使用的計(jì)算機(jī)種類，又可把仿真分為模擬計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真和模擬／數(shù)字混合仿真。有時(shí)必須有部分實(shí)物介入，則稱為半物理仿真。我們要介紹的是自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。因?yàn)?，在進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)分析、綜合與設(shè)計(jì)過程中，除了進(jìn)行理論分析與設(shè)計(jì)外，還要對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。比如我們用控制理論（包括經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論）設(shè)計(jì)好一個(gè)系統(tǒng)，但這樣設(shè)計(jì)出來的一個(gè)系統(tǒng)是否確實(shí)可行呢？設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)符合實(shí)際情況嗎？系統(tǒng)性能對(duì)參數(shù)變化敏感嗎？實(shí)際存在的非線性因素影響嚴(yán)重嗎？我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施以前往往要進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行系統(tǒng)性能的考核，沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究是不能直接將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)放到生產(chǎn)實(shí)際中去的，特別是對(duì)于一些有危險(xiǎn)的場(chǎng)合，或價(jià)格昂貴的試驗(yàn)（如導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)）。當(dāng)然，我們可以在實(shí)驗(yàn)室里建立一套物理模擬裝置來進(jìn)行試驗(yàn)。但是，這種方法十分費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢，而且在有的情況下，物理模擬幾乎是不可能的。近年來，由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已日益被人們所采納。這種形式的仿真特點(diǎn)是：將實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，它們通常是一組常微分方程或一組差分方程，然后用模擬計(jì)算機(jī)或數(shù)字計(jì)算機(jī)來求解這些方程。采用計(jì)算機(jī)仿真的好處是：用一套仿真設(shè)備可以對(duì)物理性質(zhì)截然不同的許多控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，而且進(jìn)行一次仿真研究的準(zhǔn)備工作主要是準(zhǔn)備模擬計(jì)算機(jī)的排題板或數(shù)字計(jì)算機(jī)的程序。這比在實(shí)際物理模型上的安裝、接線、調(diào)整等準(zhǔn)備工作的工作量要小得多，周期也要短得多，所以耗資也就少得多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真（主要是指數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真）已越來越多地取代了物理的仿真。仿真技術(shù)，顧名思義就是要求抓住事物的本質(zhì)，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)事物的基本特征。當(dāng)然，由于忽略了某種次要因素或數(shù)學(xué)模型中沒有引入某種重要的因素（可能是未知的因素，也可能是難以考慮的某種因素）會(huì)造成仿真的失真，這種情況有時(shí)可能在所難免。但是有一種情況是應(yīng)該引起重視的。有的人在仿真研究時(shí)遇到程序發(fā)散或算不出“理想”結(jié)果時(shí)不是去認(rèn)真分析原因，而是任意給定或修改條件或某些系數(shù)來獲得一條“漂亮”的曲線，這種情況與做實(shí)驗(yàn)時(shí)制造假數(shù)據(jù)是同一性質(zhì)的問題。這不是在仿真，而是在“造假”，這種現(xiàn)象對(duì)人對(duì)己均無好處，應(yīng)該力戒。

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