控制系統(tǒng)的數字仿真及計算機輔助設計

前言

控制系統(tǒng)的數字仿真是分析、研究、設計自動控制系統(tǒng)的一種快速和經濟的輔助手段，同時它還是控制系統(tǒng)教育和訓練的一種有效方法，是從事自動控制研究與工程設計技術人員必須掌握的一門技術。因而在自動控制領域中已得到廣泛的重視與應用?？刂葡到y(tǒng)仿真，首先是研究如何將由系統(tǒng)建模得到的數學模型離散化，使之成為既適合于計算機計算又有良好計算精度與數值穩(wěn)定性的仿真模型，簡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)的拓撲結構、各種參數及初值等輸入計算機，最后進行仿真計算，輸出所需形式的仿真結果。計算機輔助設計技術是一種包含計算機硬件、軟件與設計者的人機共存系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設計者與計算機相互作用并共同有效地工作，以完成預想的工作。由于這部分的內容十分豐富，類似的出版物也很多，因此本書取材時盡量避免與類似的出版物內容重復且側重于作者多年來在教學、科研及生產現(xiàn)場使用過的一些方法。例如，第6章計算機輔助建立系統(tǒng)動態(tài)模型，為避免與系統(tǒng)辨識等著作重復，這部分內容就沒有列入，而著重介紹目前國內外在工業(yè)應用中常用的測試方法。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際應用。為了給出計算機輔助控制系統(tǒng)設計一個較完整的概念，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。本書立足于控制系統(tǒng)數字仿真及計算機輔助設計的基礎理論與概念，根據應用經驗，理淪與實際相結合，并注意到知識的完整性與系統(tǒng)性，沒有面面俱到地去羅列一些已經廣泛見者于類似著作中的方法。

內容概要

　　《控制系統(tǒng)的數字仿真及計算機輔助設計（第2版）》的前5章是控制系統(tǒng)數字仿真部分，包括連續(xù)系統(tǒng)數學模型表示方法及實現(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)的數字仿真等內容，在取材及編排上根據多年的教學與實踐經驗做了一定的處理，以期突出基本原理及概念。第6～9章著重介紹作者在應用實踐中已經證明是行之有效的方法，內容涵蓋計算機輔助建立系統(tǒng)動態(tài)模型、基于頻域的控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設計、基于時域的線性控制系統(tǒng)計算機輔助設計，其中不但涉及PID控制器、先進控制器的輔助設計與仿真，而且結合了編者在應用中的實例，具有鮮明的理論聯(lián)系實際特色。第10章從應用角度，進一步介紹了目前國際上較通用的一些CACSD軟件及其功能，著重介紹目前應用的主流產品MATLAB。　　《控制系統(tǒng)的數字仿真及計算機輔助設計（第2版）》立足于控制系統(tǒng)數字仿真及計算機輔助設計的基礎理論與概念，注重理論與實際應用相結合，在注意到知識的完整性與系統(tǒng)性的同時，沒有面面俱到地去羅列一些已經廣泛見諸于類似著作中的方法?！　　犊刂葡到y(tǒng)的數字仿真及計算機輔助設計（第2版）》既可作為普通高等院校自動化及相關專業(yè)相應課程的教材，還可廣大從事自動控制的工程技術人員參考。

書籍目錄

1 概論1.1 仿真技術概述1.1.1 仿真技術簡介1.1.2 仿真技術的應用與發(fā)展1.2 計算機輔助設計控制系統(tǒng)的形成與發(fā)展習題2 連續(xù)系統(tǒng)數學模型表示方法及實現(xiàn)2.1 連續(xù)系統(tǒng)的數學模型表示方法2.1.1 連續(xù)時間模型2.1.2 離散時間模型2.1.3 連續(xù)離散混合模型2.1.4 數學模型之間的轉換2.2 實現(xiàn)問題2.2.1 可控標準型2.2.2 可觀標準型2.2.3 對角標準型2.2.4 若當標準型2.2.5 傳遞函數中分子分母同階次時的處理2.2.6 狀態(tài)初值的通用求解方法習題3 連續(xù)系統(tǒng)的離散化3.1 引言3.1.1 解析解與數值解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 數值解的穩(wěn)定性3.1.6 數值計算中誤差的來源3.2 數值分析方法3.2.1 化導數為差商的方法3.2.2 泰勒展式法3.2.3 數值積分法3.3 常用的數值積分方法3.3.1 單步法3.3.2 多步法3.3.3 預估校正法3.3.4 數值積分方法的選擇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)傳遞函數的離散化3.4.3 快速數字仿真算法3.4.4 信號重構3.4.5 保持器的傳遞函數及其頻率特性3.4.6 離散相似模型的校正習題4 連續(xù)控制系統(tǒng)的仿真4.1 仿真模型的結構4.1.1 面向閉環(huán)系統(tǒng)微分方程（或傳遞函數）的數字仿真4.1.2 面向系統(tǒng)結構圖的數字仿真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)結構圖的數值表示方法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 關于仿真誤差及數值穩(wěn)定性問題4.5.1 截斷誤差4.5.2 舍入誤差習題5 采樣控制系統(tǒng)的數字仿真5.1 計算機控制系統(tǒng)的仿真5.2 數字控制器的仿真習題6 計算機輔助建立系統(tǒng)動態(tài)模型6.1 用經典時域辨識法建立對象動態(tài)數學模型6.1.1 階躍響應與方波響應6.1.2 低階傳遞函數模型的建立6.1.3 從響應曲線求對象的微分方程模型6.2 用頻域法辨識系統(tǒng)模型6.2.1 由系統(tǒng)脈沖過渡函數g（t）計算頻率特性6.2.2 由系統(tǒng)的頻率特性擬合傳遞函數6.3 用相關分析法辨識系統(tǒng)脈沖響應函數6.3.1 相關分析法的理論基礎6.3.2 相關函數的實驗求取方法6.3.3 用白噪聲測定系統(tǒng)的脈沖響應6.3.4 用偽隨機信號辨識脈沖響應函數習題7 基于頻域的控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設計7.1 單變量系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析7.1.1 勞斯判據7.1.2 霍爾維茨穩(wěn)定判據7.2 傳遞函數的頻率特性計算7.2.1 因式分解形式的傳遞函數頻率特性計算7.2.2 直接計算多項式表示的傳遞函數頻率特性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)計算機輔助設計7.3.1 基于頻域法的串聯(lián)校正原理7.3.2 校正裝置傳遞函數的計算7.4 多變量系統(tǒng)設計的現(xiàn)代頻域方法簡介7.4.1 概述7.4.2 基本概念7.4.3 現(xiàn)代頻域方法簡介習題8 PID控制器的計算機仿真與輔助設計8.1 PID控制器8.1.1 標準PID控制算法8.1.2 標準PID控制算法的改進8.1.3 連續(xù)系統(tǒng)PID控制器仿真及設計8.1.4 數字PID控制器仿真及設計8.2 PID控制器的參數自動整定8.2.1 PID控制器的參數整定與自動整定8.2.2 基于繼電反饋控制的PID控制器參數自動整定8.2.3 示例8.3 魯棒PID控制器參數整定8.3.1 魯棒PID控制器參數整定思想8.3.2 魯棒PID控制器參數整定算法8.3.3 魯棒PID控制器示例習題9 基于時域的線性控制系統(tǒng)計算機輔助設計9.1 狀態(tài)反饋和極點配置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)的極點配置9.1.4 多輸入系統(tǒng)的極點配置9.2 具有線性二次型性能指標的最優(yōu)控制系統(tǒng)9.2.1 概述9.2.2 狀態(tài)調節(jié)器9.2.3 最優(yōu)線性輸出調節(jié)器問題9.2.4 具有期望衰減度的線性二次型調節(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 魯棒控制器的結構9.3.5 魯棒控制器的性質9.4 模型預測控制器9.4.1 預測控制基本原理9.4.2 預測控制算法介紹9.4.3 參數選擇9.4.4 多變量DMC算法9.5 計算機輔助設計控制系統(tǒng)的工程應用實例之9.5.1 造紙生產過程簡介9.5.2 計算機輔助建立紙機模型9.5.3 控制系統(tǒng)計算機輔助設計9.5.4 控制系統(tǒng)實施9.6 計算機輔助設計控制系統(tǒng)的工程應用實例之二9.6.1 常壓塔控制回路工藝9.6.2 常壓塔先進控制系統(tǒng)總體結構9.6.3 常壓塔多變量預測控制器設計9.6.4 控制系統(tǒng)計算機輔助設計9.6.5 控制系統(tǒng)實施習題10 計算機控制系統(tǒng)設計與仿真軟件10.1 CACSD簡介10.1.1 CACSD軟件形成的歷史背景10.1.2 CACSD的主要內容及特點10.1.3 CACSD軟件國內外發(fā)展概況10.2 MATLAB控制系統(tǒng)設計10.2.1 MATLAB控制功能介紹10.2.2 基于SIMULINK的控制系統(tǒng)設計10.2.3 MATLAB在倒擺系統(tǒng)設計中的應用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10.4.2 系統(tǒng)描述10.4.3 最優(yōu)隨機控制10.4.4 最優(yōu)跟蹤系統(tǒng)的設計10.4.5 最優(yōu)穩(wěn)定系統(tǒng)設計舉例10.5 CACSD的技術現(xiàn)狀和展望習題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1 概論1.1 仿真技術概述1.1.1 仿真技術簡介仿真（simulation），就是用模型（物理模型或數學模型）代替實際系統(tǒng)進行實驗和研究。仿真所遵循的基本原則是相似原理，即幾何相似及數學相似。依據這個原理，仿真可分為物理仿真和數學仿真（數學仿真又可分為模擬計算機仿真和數字計算機仿真）。所謂物理仿真，就是應用幾何相似原理，制作一個與實際系統(tǒng)相似但幾何尺寸較小的物理模型（例如飛機模型放在與氣流場相似的風洞中）進行實驗研究。所謂數學仿真，就是應用數學相似原理，構成數學模型在計算機上進行實驗研究。根據仿真使用的計算機種類，又可把仿真分為模擬計算機仿真、數字計算機仿真和模擬／數字混合仿真。有時必須有部分實物介入，則稱為半物理仿真。我們要介紹的是自動控制系統(tǒng)的計算機仿真及控制系統(tǒng)的計算機輔助設計。因為，在進行自動控制系統(tǒng)分析、綜合與設計過程中，除了進行理論分析與設計外，還要對系統(tǒng)的特性進行實驗研究。比如我們用控制理論（包括經典控制理論與現(xiàn)代控制理論）設計好一個系統(tǒng)，但這樣設計出來的一個系統(tǒng)是否確實可行呢？設計的控制器參數符合實際情況嗎？系統(tǒng)性能對參數變化敏感嗎？實際存在的非線性因素影響嚴重嗎？我們在現(xiàn)場實施以前往往要進行一些實驗，進行系統(tǒng)性能的考核，沒有進行過實驗研究是不能直接將設計好的系統(tǒng)放到生產實際中去的，特別是對于一些有危險的場合，或價格昂貴的試驗（如導彈發(fā)射試驗）。當然，我們可以在實驗室里建立一套物理模擬裝置來進行試驗。但是，這種方法十分費時又費錢，而且在有的情況下，物理模擬幾乎是不可能的。近年來，由于計算機的迅速發(fā)展，采用計算機進行數學仿真的方法已日益被人們所采納。這種形式的仿真特點是：將實際系統(tǒng)的運動規(guī)律用數學形式表達出來，它們通常是一組常微分方程或一組差分方程，然后用模擬計算機或數字計算機來求解這些方程。采用計算機仿真的好處是：用一套仿真設備可以對物理性質截然不同的許多控制系統(tǒng)進行仿真研究，而且進行一次仿真研究的準備工作主要是準備模擬計算機的排題板或數字計算機的程序。這比在實際物理模型上的安裝、接線、調整等準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。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，計算機仿真（主要是指數字計算機仿真）已越來越多地取代了物理的仿真。仿真技術，顧名思義就是要求抓住事物的本質，在計算機上再現(xiàn)事物的基本特征。當然，由于忽略了某種次要因素或數學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）會造成仿真的失真，這種情況有時可能在所難免。但是有一種情況是應該引起重視的。有的人在仿真研究時遇到程序發(fā)散或算不出“理想”結果時不是去認真分析原因，而是任意給定或修改條件或某些系數來獲得一條“漂亮”的曲線，這種情況與做實驗時制造假數據是同一性質的問題。這不是在仿真，而是在“造假”，這種現(xiàn)象對人對己均無好處，應該力戒。

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