书籍详情
控制系统仿真与计算机辅助设计
作者：薛定宇著
出版社：机械工业出版社
出版时间：2005-01-01
ISBN：9787111156369
定价：¥33.00
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内容简介
本书以国际是最流行的MATLAB/Simulink语言为主要工具，在全新的框架下对控制系统建模、仿真、分析与设计进行了较全面的介绍，内容包括：MATLAB语言的编程方法及其在各类数学问题求解中的应用；各类线性系统模型的表示方法与模型转换、系统辨识问题的求解方法；控制系统的计算机辅助分析；基于Simulink的控制系统建模仿真的方法；控制系统的计算机辅助设计算法；控制工程建模仿真应用技巧及半实物仿真等内容，并介绍了一种自由软件Scilab在控制系统研究中的应用。 本书可作为高等院校自动化专业本科和的教材或参考书，还可供研究生、科技工作者和教师参考。
作者简介
暂缺《控制系统仿真与计算机辅助设计》作者简介
目录
出版说明
前言
第1章 控制系统仿真与计算机辅助设计概述1
1.1 控制理论和控制系统概述1
1.1.1 自动控制理论的历史回顾1
1.1.2 控制系统分类2
1.2 系统仿真与仿真语言工具概述2
1.2.1 系统仿真与控制系统仿真2
1.2.2 常规计算机语言的局限性4
1.2.3 数学软件的发展5
1.2.4 控制系统仿真与计算机辅助设计软件7
1.3 本书主要结构及相关内容9
1.3.1 本书结构概述9
1.3.2 MATLAB语言的相关资源10
1.3.3 书中的MATLAB代码10
1.4 本章要点小结11
1.5 习题11
第2章 MATLAB语言——必备的基础知识13
2.1 MATLAB的数据结构与语句结构14
2.1.1 MATLAB语言的变量与常量14
2.1.2 MATLAB的数据结构14
2.1.3 MATLAB的基本语句结构15
2.1.4 数据存储与读取16
2.1.5 MATLAB语言的基本运算16
2.2 MATLAB基本控制流程结构19
2.2.1 循环结构19
2.2.2 转移结构20
2.2.3 开关结构21
2.2.4 试探结构22
2.3 MATLAB的M-函数设计22
2.3.1 MATLAB 语言的函数的基本结构23
2.3.2 可变输入输出个数的处理25
2.4 MATLAB 的图形可视化25
2.4.1 二维图形的绘制25
2.4.2 三维图形的绘制30
2.4.3 图形修饰34
2.5 MATLAB的图形用户界面设计入门34
2.5.1 图形界面设计工具35
2.5.2 菜单设计系统41
2.5.3 界面设计举例与技巧41
2.6 MATLAB语言与数学问题计算机求解47
2.6.1 线性代数问题的MATLAB求解47
2.6.2 常微分方程问题的MATLAB求解53
2.6.3 最优化问题的MATLAB求解56
2.7 本章要点小结60
2.8 习题61
第3章 控制系统模型与转换65
3.1 连续线性系统的数学模型65
3.1.1 线性系统的传递函数模型65
3.1.2 线性系统的状态方程模型68
3.1.3 线性系统的零极点模型69
3.1.4 多变量系统的传递函数矩阵模型70
3.2 离散系统模型71
3.2.1 离散传递函数模型71
3.2.2 离散状态方程模型73
3.3 框图描述系统的化简74
3.3.1 控制系统的典型连接结构74
3.3.2 纯时间延迟环节的处理77
3.3.3 节点移动时的等效变换78
3.3.4 复杂系统模型的简化79
3.3.5 基于连接矩阵的结构图化简方法81
3.4 系统模型的相互转换83
3.4.1 连续模型和离散模型的相互转换83
3.4.2 系统传递函数的获取85
3.4.3 控制系统的状态方程实现86
3.4.4 状态方程的最小实现88
3.5 线性系统的模型降阶89
3.5.1 Pad\e降阶算法与Routh降阶算法89
3.5.2 时间延迟模型的Pad\e近似93
3.5.3 带有时间延迟系统的次最优降阶算法94
3.6 线性系统的模型辨识98
3.6.1 连续系统的模型辨识98
3.6.2 离散系统的模型辨识100
3.6.3 辨识模型的阶次选择105
3.6.4 离散系统辨识信号的生成106
3.6.5 多变量离散系统的辨识108
3.7 本章要点小结109
3.8 习题110
第4章 线性控制系统的计算机辅助分析114
4.1 线性系统定性分析114
4.1.1 线性系统稳定性分析114
4.1.2 线性系统的线性相似变换117
4.1.3 线性系统的可控性分析117
4.1.4 线性系统的可观测性分析121
4.1.5 Kalman规范分解122
4.2 线性系统时域响应解析解法122
4.2.1 基于状态方程的解析解方法123
4.2.2 连续状态方程的直接积分求解方法125
4.2.3 基于部分分式展开方法求解125
4.2.4 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标129
4.3 线性系统的数字仿真分析131
4.3.1 线性系统的时域响应131
4.3.2 任意输入下系统的响应135
4.4 根轨迹分析136
4.5 线性系统频域分析140
4.5.1 单变量系统的频域分析141
4.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性144
4.5.3 多变量系统的频域分析146
4.5.4 频域分析的复域空间扩展150
4.6 本章要点小结151
4.7 习题152
第5章 Simulink在系统仿真中的应用157
5.1 Simulink建模的基础知识157
5.1.1 Simulink简介157
5.1.2 Simulink下常用模块简介158
5.1.3 Simulink下其他工具箱的模块组164
5.2 Simulink建模与仿真164
5.2.1 Simulink建模方法简介164
5.2.2 仿真算法与控制参数选择168
5.2.3 Simulink在控制系统仿真研究中的应用举例170
5.3 非线性系统分析与仿真179
5.3.1 分段线性的非线性环节179
5.3.2 非线性系统的极限环研究182
5.3.3 非线性环节的描述函数数值求取方法183
5.3.4 非线性系统的线性化186
5.4 子系统与模块封装技术188
5.4.1 子系统概念及构成方法188
5.4.2 模块封装方法189
5.4.3 模块集构造194
5.5 S-函数及其应用194
5.5.1 S-函数的基本结构195
5.5.2 用MATLAB编写S-函数举例196
5.5.3 S-函数的封装199
5.6 输出显示形式199
5.7 本章要点小结202
5.8 习题203
第6章 控制系统计算机辅助设计207
6.1 基于传递函数的控制器设计方法207
6.1.1 串联超前滞后校正器208
6.1.2 基于相位裕量的设计方法209
6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面214
6.2 状态反馈控制218
6.3 基于状态反馈的控制器设计方法219
6.3.1 线性二次型指标最优调节器219
6.3.2 极点配置控制器设计221
6.3.3 观测器设计及基于观测器的调节器设计224
6.4 多变量系统的解耦控制228
6.4.1 状态反馈解耦控制228
6.4.2 状态反馈的极点配置解耦系统230
6.5 本章要点小结232
6.6 习题232
第7章 PID控制器与最优控制器设计234
7.1 PID控制器及其建模234
7.1.1 PID控制器概述234
7.1.2 离散PID控制器235
7.1.3 PID控制器的变形236
7.2 过程系统的一阶延迟模型近似237
7.2.1 由响应曲线识别一阶模型238
7.2.2 基于频域响应的近似方法239
7.2.3 基于传递函数的辨识方法240
7.2.4 最优降阶方法240
7.3 Ziegler-Nichols参数整定方法241
7.3.1 Ziegler-Nichols经验公式241
7.3.2 改进的Ziegler-Nichols算法243
7.3.3 改进PID控制结构与算法245
7.3.4 最优PID整定算法248
7.3.5 大时间延迟的Smith预估器补偿249
7.4 PID工具箱应用举例252
7.4.1 基于FOLPD的PID控制器设计程序252
7.4.2 下的PID控制器模块集255
7.5 最优控制器设计258
7.5.1 最优控制的概念258
7.5.2 最优控制目标函数的选择259
7.5.3 控制器参数寻优262
7.5.4 基于MATLAB/的最优控制程序及其应用265
7.5.5 最优控制程序的其他应用268
7.6 最优PID控制器设计程序269
7.7 本章要点小结273
7.8 习题273
第8章 控制工程中的仿真技术应用275
8.1 电路和电子系统的建模与仿真275
8.1.1 复杂系统的建模概述275
8.1.2 SimPowerSystems简介276
8.1.3 电路系统的建模与仿真276
8.1.4 电子电路的建模与仿真281
8.2 直流电机双闭环拖动系统的建模与仿真285
8.2.1 晶闸管整流系统仿真模型286
8.2.2 电机模型库及直流电机建模287
8.3 半实物仿真系统及其应用291
8.3.1 半实物仿真概述291
8.3.2 dSPACE简介294
8.3.3 dSPACE模块组294
8.3.4 半实物仿真举例295
8.4 本章要点小结298
8.5 习题299
附录301
附录A 积分变换问题及MATLAB直接求解301
A.1 Laplace变换及其反变换301
A.2 Z变换及其反变换302
A.3 Laplace变换和Z变换的计算机求解303
A.4 本附录要点小结306
A.5 习题306
附录B 反馈系统分析与设计程序CtrlLAB简介307
B.1 CtrlLAB的安装与运行308
B.2 控制系统模型的输入与处理308
B.3 反馈控制系统的分析309
B.4 反馈控制系统计算机辅助设计310
B.5 本附录要点小结311
B.6 习题311
参考文献313
前言
第1章 控制系统仿真与计算机辅助设计概述1
1.1 控制理论和控制系统概述1
1.1.1 自动控制理论的历史回顾1
1.1.2 控制系统分类2
1.2 系统仿真与仿真语言工具概述2
1.2.1 系统仿真与控制系统仿真2
1.2.2 常规计算机语言的局限性4
1.2.3 数学软件的发展5
1.2.4 控制系统仿真与计算机辅助设计软件7
1.3 本书主要结构及相关内容9
1.3.1 本书结构概述9
1.3.2 MATLAB语言的相关资源10
1.3.3 书中的MATLAB代码10
1.4 本章要点小结11
1.5 习题11
第2章 MATLAB语言——必备的基础知识13
2.1 MATLAB的数据结构与语句结构14
2.1.1 MATLAB语言的变量与常量14
2.1.2 MATLAB的数据结构14
2.1.3 MATLAB的基本语句结构15
2.1.4 数据存储与读取16
2.1.5 MATLAB语言的基本运算16
2.2 MATLAB基本控制流程结构19
2.2.1 循环结构19
2.2.2 转移结构20
2.2.3 开关结构21
2.2.4 试探结构22
2.3 MATLAB的M-函数设计22
2.3.1 MATLAB 语言的函数的基本结构23
2.3.2 可变输入输出个数的处理25
2.4 MATLAB 的图形可视化25
2.4.1 二维图形的绘制25
2.4.2 三维图形的绘制30
2.4.3 图形修饰34
2.5 MATLAB的图形用户界面设计入门34
2.5.1 图形界面设计工具35
2.5.2 菜单设计系统41
2.5.3 界面设计举例与技巧41
2.6 MATLAB语言与数学问题计算机求解47
2.6.1 线性代数问题的MATLAB求解47
2.6.2 常微分方程问题的MATLAB求解53
2.6.3 最优化问题的MATLAB求解56
2.7 本章要点小结60
2.8 习题61
第3章 控制系统模型与转换65
3.1 连续线性系统的数学模型65
3.1.1 线性系统的传递函数模型65
3.1.2 线性系统的状态方程模型68
3.1.3 线性系统的零极点模型69
3.1.4 多变量系统的传递函数矩阵模型70
3.2 离散系统模型71
3.2.1 离散传递函数模型71
3.2.2 离散状态方程模型73
3.3 框图描述系统的化简74
3.3.1 控制系统的典型连接结构74
3.3.2 纯时间延迟环节的处理77
3.3.3 节点移动时的等效变换78
3.3.4 复杂系统模型的简化79
3.3.5 基于连接矩阵的结构图化简方法81
3.4 系统模型的相互转换83
3.4.1 连续模型和离散模型的相互转换83
3.4.2 系统传递函数的获取85
3.4.3 控制系统的状态方程实现86
3.4.4 状态方程的最小实现88
3.5 线性系统的模型降阶89
3.5.1 Pad\e降阶算法与Routh降阶算法89
3.5.2 时间延迟模型的Pad\e近似93
3.5.3 带有时间延迟系统的次最优降阶算法94
3.6 线性系统的模型辨识98
3.6.1 连续系统的模型辨识98
3.6.2 离散系统的模型辨识100
3.6.3 辨识模型的阶次选择105
3.6.4 离散系统辨识信号的生成106
3.6.5 多变量离散系统的辨识108
3.7 本章要点小结109
3.8 习题110
第4章 线性控制系统的计算机辅助分析114
4.1 线性系统定性分析114
4.1.1 线性系统稳定性分析114
4.1.2 线性系统的线性相似变换117
4.1.3 线性系统的可控性分析117
4.1.4 线性系统的可观测性分析121
4.1.5 Kalman规范分解122
4.2 线性系统时域响应解析解法122
4.2.1 基于状态方程的解析解方法123
4.2.2 连续状态方程的直接积分求解方法125
4.2.3 基于部分分式展开方法求解125
4.2.4 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标129
4.3 线性系统的数字仿真分析131
4.3.1 线性系统的时域响应131
4.3.2 任意输入下系统的响应135
4.4 根轨迹分析136
4.5 线性系统频域分析140
4.5.1 单变量系统的频域分析141
4.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性144
4.5.3 多变量系统的频域分析146
4.5.4 频域分析的复域空间扩展150
4.6 本章要点小结151
4.7 习题152
第5章 Simulink在系统仿真中的应用157
5.1 Simulink建模的基础知识157
5.1.1 Simulink简介157
5.1.2 Simulink下常用模块简介158
5.1.3 Simulink下其他工具箱的模块组164
5.2 Simulink建模与仿真164
5.2.1 Simulink建模方法简介164
5.2.2 仿真算法与控制参数选择168
5.2.3 Simulink在控制系统仿真研究中的应用举例170
5.3 非线性系统分析与仿真179
5.3.1 分段线性的非线性环节179
5.3.2 非线性系统的极限环研究182
5.3.3 非线性环节的描述函数数值求取方法183
5.3.4 非线性系统的线性化186
5.4 子系统与模块封装技术188
5.4.1 子系统概念及构成方法188
5.4.2 模块封装方法189
5.4.3 模块集构造194
5.5 S-函数及其应用194
5.5.1 S-函数的基本结构195
5.5.2 用MATLAB编写S-函数举例196
5.5.3 S-函数的封装199
5.6 输出显示形式199
5.7 本章要点小结202
5.8 习题203
第6章 控制系统计算机辅助设计207
6.1 基于传递函数的控制器设计方法207
6.1.1 串联超前滞后校正器208
6.1.2 基于相位裕量的设计方法209
6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面214
6.2 状态反馈控制218
6.3 基于状态反馈的控制器设计方法219
6.3.1 线性二次型指标最优调节器219
6.3.2 极点配置控制器设计221
6.3.3 观测器设计及基于观测器的调节器设计224
6.4 多变量系统的解耦控制228
6.4.1 状态反馈解耦控制228
6.4.2 状态反馈的极点配置解耦系统230
6.5 本章要点小结232
6.6 习题232
第7章 PID控制器与最优控制器设计234
7.1 PID控制器及其建模234
7.1.1 PID控制器概述234
7.1.2 离散PID控制器235
7.1.3 PID控制器的变形236
7.2 过程系统的一阶延迟模型近似237
7.2.1 由响应曲线识别一阶模型238
7.2.2 基于频域响应的近似方法239
7.2.3 基于传递函数的辨识方法240
7.2.4 最优降阶方法240
7.3 Ziegler-Nichols参数整定方法241
7.3.1 Ziegler-Nichols经验公式241
7.3.2 改进的Ziegler-Nichols算法243
7.3.3 改进PID控制结构与算法245
7.3.4 最优PID整定算法248
7.3.5 大时间延迟的Smith预估器补偿249
7.4 PID工具箱应用举例252
7.4.1 基于FOLPD的PID控制器设计程序252
7.4.2 下的PID控制器模块集255
7.5 最优控制器设计258
7.5.1 最优控制的概念258
7.5.2 最优控制目标函数的选择259
7.5.3 控制器参数寻优262
7.5.4 基于MATLAB/的最优控制程序及其应用265
7.5.5 最优控制程序的其他应用268
7.6 最优PID控制器设计程序269
7.7 本章要点小结273
7.8 习题273
第8章 控制工程中的仿真技术应用275
8.1 电路和电子系统的建模与仿真275
8.1.1 复杂系统的建模概述275
8.1.2 SimPowerSystems简介276
8.1.3 电路系统的建模与仿真276
8.1.4 电子电路的建模与仿真281
8.2 直流电机双闭环拖动系统的建模与仿真285
8.2.1 晶闸管整流系统仿真模型286
8.2.2 电机模型库及直流电机建模287
8.3 半实物仿真系统及其应用291
8.3.1 半实物仿真概述291
8.3.2 dSPACE简介294
8.3.3 dSPACE模块组294
8.3.4 半实物仿真举例295
8.4 本章要点小结298
8.5 习题299
附录301
附录A 积分变换问题及MATLAB直接求解301
A.1 Laplace变换及其反变换301
A.2 Z变换及其反变换302
A.3 Laplace变换和Z变换的计算机求解303
A.4 本附录要点小结306
A.5 习题306
附录B 反馈系统分析与设计程序CtrlLAB简介307
B.1 CtrlLAB的安装与运行308
B.2 控制系统模型的输入与处理308
B.3 反馈控制系统的分析309
B.4 反馈控制系统计算机辅助设计310
B.5 本附录要点小结311
B.6 习题311
参考文献313
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