控制系統(tǒng)仿真與CAD

前言

第1章控制系統(tǒng)仿真及工具軟件概述

1 1控制系統(tǒng)及仿真軟件

1 1 1控制系統(tǒng)模型

1 1 2控制系統(tǒng)仿真

1 1 3MATLAB的語(yǔ)言特點(diǎn)

1 1 4MATLAB的控制產(chǎn)品

1 2MATLAB的操作與使用

1 2 1MATLAB的工作空間

1 2 2MATLAB的命令窗口

1 2 3MATLAB的程序編輯器

1 2 4MATLAB的幫助文件

1 3數(shù)值計(jì)算與矩陣運(yùn)算

1 3 1MATLAB的數(shù)值類型

1 3 2矩陣運(yùn)算

1 3 3符號(hào)運(yùn)算

1 4程序、文件和函數(shù)

1 4 1M文件編程

1 4 2常用的編程語(yǔ)句

1 4 3程序調(diào)試與診斷

本章小結(jié)

習(xí)題

第2章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

2 1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制工具箱

函數(shù)

2 1 1傳遞函數(shù)模型

2 1 2狀態(tài)空間模型

2 2控制系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換及連接

2 2 1模型轉(zhuǎn)換函數(shù)

2 2 2模型連接與化簡(jiǎn)

2 3控制系統(tǒng)建模工程實(shí)例

本章小結(jié)

習(xí)題

第3章控制系統(tǒng)分析

3 1控制系統(tǒng)的時(shí)域分析

3 1 1時(shí)域分析基礎(chǔ)

3 1 2系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析

3 1 3階躍響應(yīng)分析

3 1 4脈沖響應(yīng)分析

3 1 5任意輸入的時(shí)域響應(yīng)分析

3 1 6控制系統(tǒng)時(shí)域分析綜合實(shí)例

3 2控制系統(tǒng)的根軌跡分析

3 2 1函數(shù)指令方式

3 2 2單輸入單輸出設(shè)計(jì)工具

3 3控制系統(tǒng)的頻域分析

3 3 1頻率響應(yīng)與Nyquist圖

3 3 2伯德圖分析

3 3 3控制系統(tǒng)頻域分析綜合實(shí)例

3 3 4基于單輸入單輸出設(shè)計(jì)工具的控制

系統(tǒng)頻域分析

3 4控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

3 4 1控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法簡(jiǎn)述

3 4 2控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的MATLAB

實(shí)現(xiàn)

3 5控制系統(tǒng)的可觀性與可控性分析

3 5 1系統(tǒng)的可觀性分析

3 5 2系統(tǒng)的可控性分析

本章小結(jié)

習(xí)題

第4章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

4 1基于根軌跡的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 1 1基于根軌跡的相位超前校正

4 1 2基于根軌跡的相位滯后校正

4 2基于伯德圖的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 2 1基于伯德圖的相位超前校正

4 2 2基于伯德圖的相位滯后校正

4 2 3基于伯德圖的滯后 超前校正

4 3控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)

4 3 1 PID控制規(guī)律

4 3 2PID控制器設(shè)計(jì)方法

4 3 3PID控制器設(shè)計(jì)實(shí)例

4 4極點(diǎn)配置與觀測(cè)器設(shè)計(jì)

4 4 1極點(diǎn)配置

4 4 2全維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

4 4 3降維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

4 4 4基于觀測(cè)器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)

設(shè)計(jì)綜合實(shí)例

本章小結(jié)

習(xí)題

第5章控制系統(tǒng)CAD——Simulink

基礎(chǔ)

5 1Simulink的使用

5 1 1Simulink的基本操作

5 1 2Simulink仿真參數(shù)的設(shè)定

5 1 3子系統(tǒng)的創(chuàng)建

5 1 4子系統(tǒng)的封裝

5 1 5Simulink與MATLAB的接口

設(shè)計(jì)

5 2采用MATLAB命令進(jìn)行仿真與

分析

5 2 1仿真系統(tǒng)的打開(kāi)和關(guān)閉操作

命令

5 2 2設(shè)置仿真系統(tǒng)功能模塊參數(shù)的

操作命令

5 2 3設(shè)置仿真系統(tǒng)解算器參數(shù)的

操作命令

5 2 4仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的分析

操作命令

5 2 5仿真系統(tǒng)運(yùn)行的操作命令

5 3S函數(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

5 3 1S函數(shù)的設(shè)計(jì)

5 3 2S函數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)例

5 4控制系統(tǒng)仿真綜合實(shí)例

本章小結(jié)

習(xí)題

參考文獻(xiàn) 2100433B

《控制系統(tǒng)仿真與CAD》以MATLAB 7"_blank" href="/item/自動(dòng)控制系統(tǒng)/1801668" data-lemmaid="1801668">自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)為主線，系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)的建模、分析、設(shè)計(jì)的基本原理和仿真方法?！犊刂葡到y(tǒng)仿真與CAD》共分5章，分別為控制系統(tǒng)仿真及工具軟件概述、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述、控制系統(tǒng)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真和控制系統(tǒng)CAD——Simulink基礎(chǔ)。

《控制系統(tǒng)仿真與CAD》結(jié)構(gòu)清晰，語(yǔ)言簡(jiǎn)練，圖文并茂，并用大量的例題來(lái)配合所述內(nèi)容，由淺入深，生動(dòng)易學(xué)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，可作為高等學(xué)校自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、電子工程、通信等本科專業(yè)“控制系統(tǒng)仿真”課程的教材，也可作為工程技術(shù)人員的參考用書(shū)。

前言

第一章 概述

第一節(jié) 控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法

一、解析法

二、實(shí)驗(yàn)法

三、仿真實(shí)驗(yàn)法

第二節(jié) 仿真實(shí)驗(yàn)的分類與性能比較

一、按模型分類

二、按計(jì)算機(jī)類型分類

第三節(jié) 系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真

一、系統(tǒng)的組成與分類

二、模型的建立及其重要性

三、數(shù)字仿真的基本內(nèi)容

第四節(jié) 控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真軟件

一、CAD技術(shù)的一般概念

二、控制系統(tǒng)CAD的主要內(nèi)容

三、數(shù)字仿真軟件

第五節(jié) 仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用

二、應(yīng)用仿真技術(shù)的重要意義

三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

小結(jié)

習(xí)題

第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

第一節(jié) 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

一、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的表示形式

二、數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換

三、控制系統(tǒng)建模的基本方法

第二節(jié) 實(shí)現(xiàn)問(wèn)題

一、單變量系統(tǒng)的可控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)

二、控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)

第三節(jié) 常微分方程數(shù)值解法

一、數(shù)值求解的基本概念

二、數(shù)值積分法

三、關(guān)于數(shù)值積分方法的幾點(diǎn)討論

第四節(jié) 數(shù)值算法中的“病態(tài)”問(wèn)題

一、“病態(tài)”常微分方程

二、控制系統(tǒng)仿真中的“病態(tài)”問(wèn)題

三、“病態(tài)”系統(tǒng)的仿真方法

小結(jié)

習(xí)題

第三章 MATLAB與SIMULINK基礎(chǔ)

第一節(jié) 引言

第二節(jié) MATLAB的操作與使用

一、簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)運(yùn)算

二、變量與數(shù)值顯示格式

三、文件管理

四、幫助功能

第三節(jié) MATLAB的矩陣運(yùn)算

一、簡(jiǎn)單矩陣輸入

二、矩陣區(qū)算

三、矩陣操作

第四節(jié) 繪圖

一、二維圖形

二、三維圖形

第五節(jié) 數(shù)據(jù)處理

一、矩陣分解

二、多項(xiàng)式處理

三、曲線擬合與插值

四、數(shù)據(jù)分析

五、常微分方程數(shù)值解

第六節(jié) 流程控制

一、for循環(huán)

二、while循環(huán)

三、if－else－end結(jié)構(gòu)

四、函數(shù)

第七節(jié) 控制工具箱

一、系統(tǒng)建模

二、模型轉(zhuǎn)換和降階

三、分析函數(shù)

四、設(shè)計(jì)函數(shù)

第八節(jié) SIMULINK基礎(chǔ)

一、SIMULINK的操作

二、模型的構(gòu)造

三、數(shù)值仿真

四、系統(tǒng)分析

第九節(jié) MATLAB的其它資源

一、工具箱

二、網(wǎng)絡(luò)資源

小結(jié)

習(xí)題

第四章 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)

第一節(jié) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其招撲描述

一、控制系統(tǒng)常見(jiàn)的典型結(jié)構(gòu)形式

二、控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)描述

三、控制系統(tǒng)的聯(lián)接矩陣

第二節(jié) 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真

一、典型閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字仿真

二、復(fù)雜聯(lián)接的閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字仿真

第三節(jié) 環(huán)節(jié)的離散化與非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真

一、連續(xù)系統(tǒng)的離散化模型法

二、非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真

第四節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真

一、采樣在制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

二、采樣控制系統(tǒng)的仿真方法

三、采樣控制系統(tǒng)仿真程序?qū)崿F(xiàn)

小結(jié)

習(xí)題

第五章 控制系統(tǒng)CAD

第一節(jié) 概述

第二節(jié) 經(jīng)典控制理論CAD

一、控制系統(tǒng)因有特性分析

二、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

三、控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

第三節(jié) 現(xiàn)代控制理論CAD

一、線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)

二、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小結(jié)

習(xí)題

第六章 數(shù)字仿真技術(shù)的綜合應(yīng)用

第一節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

一、雙閉環(huán)KZ－D系統(tǒng)的目的

二、關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問(wèn)題

三、關(guān)于ASR與ACR的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題

四、雙閉環(huán)KZ－D調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

第二節(jié) 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計(jì)方法

一、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計(jì)

二、“高精度齒輪量?jī)x”位置伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

第三節(jié) “水箱系統(tǒng)”液位控制的仿真研究

一、系統(tǒng)建模

二、數(shù)字仿真

三、結(jié)果分析

第四節(jié) 管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人位置預(yù)測(cè)模糊控制研究

一、管內(nèi)作業(yè)位置的預(yù)測(cè)模糊控制

二、作業(yè)位置預(yù)測(cè)模糊控制的實(shí)現(xiàn)

三、仿真實(shí)驗(yàn)

小結(jié)

習(xí)題

參考文獻(xiàn) 2100433B

《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》在總結(jié)仿真技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，以 MATLAB為平臺(tái)，系統(tǒng)地闡述了數(shù)字仿真的基本概念、原理及方法，概括了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的基本內(nèi)容。全書(shū)共六章，主要包括：控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)描述與模型的建立、MATLAB與SIMULINK基礎(chǔ)、數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)方法、控制系統(tǒng)CAD及綜合應(yīng)用等內(nèi)容。各章均配適當(dāng)習(xí)題，有助于讀者進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)與掌握已學(xué)過(guò)的有關(guān)內(nèi)容?！犊刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》系工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)本科生教材，也可作為自動(dòng)控制、機(jī)電控制、自動(dòng)化類學(xué)科的參考用書(shū)?！犊刂葡到y(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》為“九五”普通高等教育機(jī)電類規(guī)劃教材。

仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代工程師必須掌握的基本技能之一。而MATLAB語(yǔ)言的出現(xiàn)，使得數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用階段。MATLAB計(jì)算功能強(qiáng)大、圖形功能豐富、易學(xué)易用，已成為控制理論與控制工程、圖像處理與識(shí)別及計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的一個(gè)有力工具?？刂葡到y(tǒng)的建模、時(shí)域分析、頻域分析、控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)都離不開(kāi)MATLAB的支持，圖像圖形的除噪、除霧處理，也離不開(kāi)MATLAB的支持。

本書(shū)通過(guò)大量仿真實(shí)例，對(duì)MATLAB 7.0的功能、操作及其在控制系統(tǒng)和圖像處理中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述和講解，書(shū)中的所有實(shí)例程序均經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和測(cè)試，是編者多年來(lái)教學(xué)和科研的結(jié)晶。本書(shū)共7章，第1章概述仿真技術(shù)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)。第2章和第3章介紹MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)和控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與建模，介紹常用的MATLAB基本命令，通過(guò)實(shí)例描述如何對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。第4章結(jié)合自動(dòng)控制理論的課程內(nèi)容，介紹控制系統(tǒng)的時(shí)頻域分析及校正設(shè)計(jì)。第5章描述如何運(yùn)用SIMULINK對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，重點(diǎn)介紹了S函數(shù)的編寫(xiě)以及如何利用SIMULINK模型與S函數(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。第6章介紹常用的圖像處理命令，以及三個(gè)圖像處理的仿真實(shí)例，包括數(shù)字水印版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)、圖像融合、霧環(huán)境下的圖像增強(qiáng)處理等完整系統(tǒng)的仿真程序與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。第7章介紹汽車電子控制系統(tǒng)的仿真實(shí)例。

本書(shū)的編寫(xiě)分工為：上海工程技術(shù)大學(xué)吳健珍為主編并編寫(xiě)第1章、第4～6章，羅曉編寫(xiě)第7章，陳劍雪編寫(xiě)第2、3章。上海工程技術(shù)大學(xué)張莉萍教授為主審。在本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程中，得到了學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和眾多老師的支持與幫助，在此一并表示衷心感謝。

雖然編者力求精益求精，但由于水平有限，書(shū)中錯(cuò)誤和疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者和專家批評(píng)指正。

編者

2014年2月