控制系統(tǒng)仿真與CAD（第2版）

目　錄

前　言

第1 章　 控制系統(tǒng)仿真及工具軟件概述 1

1. 1　 控制系統(tǒng)及仿真軟件 1

1. 1. 1　 控制系統(tǒng)模型 1

1. 1. 2　 控制系統(tǒng)仿真 2

1. 1. 3　 MATLAB 的語(yǔ)言特點(diǎn) 3

1. 1. 4　 MATLAB 的控制產(chǎn)品 4

1. 2　 MATLAB 的操作與使用 5

1. 2. 1　 MATLAB 的工作空間 6

1. 2. 2　 MATLAB 的命令窗口 6

1. 2. 3　 MATLAB 的程序編輯器 6

1. 2. 4　 MATLAB 的幫助文件 7

1. 3　 數(shù)值計(jì)算與矩陣運(yùn)算 10

1. 3. 1　 MATLAB 的數(shù)值類型 10

1. 3. 2　 矩陣運(yùn)算 12

1. 3. 3　 符號(hào)運(yùn)算 15

1. 4　 程序、 文件和函數(shù) 23

1. 4. 1　 M 文件編程 23

1. 4. 2　 常用的編程語(yǔ)句 26

1. 4. 3　 程序調(diào)試與診斷 30

本章小結(jié) 33

習(xí)題 33

第2 章　 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 34

2. 1　控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制工具箱

函數(shù) 34

2. 1. 1　 傳遞函數(shù)模型 34

2. 1. 2　 狀態(tài)空間模型 42

2. 2　 控制系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換及連接 47

2. 2. 1　 模型轉(zhuǎn)換函數(shù) 47

2. 2. 2　 模型連接與化簡(jiǎn) 51

2. 3　 控制系統(tǒng)建模工程實(shí)例 55

本章小結(jié) 62

習(xí)題 62

第3 章　 控制系統(tǒng)分析 63

3. 1　 控制系統(tǒng)的時(shí)域分析 63

3. 1. 1　 時(shí)域分析基礎(chǔ) 63

3. 1. 2　 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析 64

3. 1. 3　 階躍響應(yīng)分析 65

3. 1. 4　 脈沖響應(yīng)分析 70

3. 1. 5　 任意輸入的時(shí)域響應(yīng)分析 73

3. 1. 6　 控制系統(tǒng)時(shí)域分析綜合實(shí)例 74

3. 2　 控制系統(tǒng)的根軌跡分析 75

3. 2. 1　 函數(shù)指令方式 75

3. 2. 2　 單輸入單輸出設(shè)計(jì)工具 82

3. 3　 控制系統(tǒng)的頻域分析 91

3. 3. 1　 頻率響應(yīng)與 Nyquist 圖 92

3. 3. 2　 伯德圖分析 95

3. 3. 3　 控制系統(tǒng)頻域分析綜合實(shí)例 99

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 101

3. 4　 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 102

3. 4. 1　 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法簡(jiǎn)述 102

3. 4. 2　控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的MATLAB

實(shí)現(xiàn) 104

3. 5　 控制系統(tǒng)的可觀性與可控性分析 106

3. 5. 1　 系統(tǒng)的可觀性分析 107

3. 5. 2　 系統(tǒng)的可控性分析 109

本章小結(jié) 112

習(xí)題 112

第4 章　 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 113

4. 1　 基于根軌跡的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 113

4. 1. 1　 基于根軌跡的相位超前校正 113

4. 1. 2　 基于根軌跡的相位滯后校正 123

4. 2　 基于伯德圖的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 126

4. 2. 1　 基于伯德圖的相位超前校正 126

4. 2. 2　 基于伯德圖的相位滯后校正 130

4. 2. 3　 基于伯德圖的滯后￣超前校正 133

4. 3　 控制系統(tǒng)的 PID 控制器設(shè)計(jì) 136

4. 3. 1　 PID 控制規(guī)律 137

4. 3. 2　 PID 控制器設(shè)計(jì)方法 140

4. 3. 3　 PID 控制器設(shè)計(jì)實(shí)例 146

4. 4　 極點(diǎn)配置與觀測(cè)器設(shè)計(jì) 150

目　錄Ⅶ

4. 4. 1　 極點(diǎn)配置 150

4. 4. 2　 全維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì) 153

4. 4. 3　 降維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì) 155

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 157

本章小結(jié) 159

習(xí)題 159

第5 章　控制系統(tǒng)CAD ——— Simulink

基礎(chǔ)與應(yīng)用 161

5. 1　 Simulink 基本介紹與基本操作 161

5. 1. 1　 Simulink 的基本介紹 161

5. 1. 2　 Simulink 的啟動(dòng) 161

5. 1. 3　 Simulink Library 163

5. 2　 Simulink 的建模方法與仿真 168

5. 2. 1　 仿真模型編譯器 168

5. 2. 2　 仿真系統(tǒng)的編輯 169

5. 2. 3　 Simulink 仿真參數(shù)的設(shè)定 172

5. 2. 4　Simulink 與MATLAB 的接口

設(shè)計(jì) 174

5. 3　 Simulink 子系統(tǒng)的創(chuàng)建與封裝 176

5. 3. 1　 Simulink 子系統(tǒng)的創(chuàng)建 176

5. 3. 2　 Simulink 子系統(tǒng)的封裝 178

5. 4　 采用 MATLAB 命令進(jìn)行仿真與分析 181

5. 4. 1　 仿真系統(tǒng)的打開和關(guān)閉 181

5. 4. 2　 功能模塊參數(shù)設(shè)置 182

5. 4. 3　 系統(tǒng)模型的仿真運(yùn)行 183

5. 4. 4　 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 183

5. 4. 5　 運(yùn)行結(jié)果分析 185

5. 5　 S 函數(shù) 187

5. 5. 1　 S 函數(shù)簡(jiǎn)介 188

5. 5. 2　 用 M 文件創(chuàng)建 S 函數(shù) 190

5. 6 　基于Simulink 的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

實(shí)例 195

5. 6. 1　 連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析實(shí)例 195

5. 6. 2　 連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實(shí)例 197

5. 6. 3　 連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析實(shí)例 199

5. 6. 4　 線性連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例 203

本章小結(jié) 208

習(xí)題 208

參考文獻(xiàn) 2092100433B

以MATLAB為仿真平臺(tái)，以自動(dòng)控制系統(tǒng)為主線，系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)的基本原理和仿真方法。本書共分五章，分別介紹了MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)、控制系統(tǒng)在MATLAB中的描述、控制系統(tǒng)各種分析方法及MATLAB實(shí)現(xiàn)、以MATLAB為工具的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、Simulink及其應(yīng)用。

第3版前言

第一章概述1

第一節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法1

一、解析法1

二、實(shí)驗(yàn)法1

三、仿真實(shí)驗(yàn)法2

第二節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)的分類與性能比較2

一、按模型分類3

二、按計(jì)算機(jī)類型分類4

第三節(jié)系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真6

一、系統(tǒng)的組成與分類6

二、模型的建立及其重要性7

三、數(shù)字仿真的基本內(nèi)容8

第四節(jié)控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真軟件9

一、CAD技術(shù)的一般概念9

二、控制系統(tǒng)CAD的主要內(nèi)容10

三、數(shù)字仿真軟件10

第五節(jié)仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展16

一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用16

二、應(yīng)用仿真技術(shù)的重要意義17

三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)18

第六節(jié)問(wèn)題與探究——虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真

技術(shù)18

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)18

二、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)22

三、基于虛擬樣機(jī)的球棒控制系統(tǒng)仿真25

小結(jié)27

習(xí)題27

第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述30

第一節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型30

一、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的表示形式30

二、數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換32

三、線性時(shí)不變系統(tǒng)的對(duì)象數(shù)據(jù)類型描述34

四、控制系統(tǒng)建模的基本方法35

第二節(jié)控制系統(tǒng)建模實(shí)例39

一、獨(dú)輪自行車實(shí)物仿真問(wèn)題39

二、龍門起重機(jī)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題42

三、水箱液位控制問(wèn)題46

四、燃煤熱水鍋爐控制問(wèn)題49

五、三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)控制

問(wèn)題51

六、磁懸浮軸承運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題56

第三節(jié)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題61

一、單變量系統(tǒng)的可控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)61

二、控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)63

第四節(jié)常微分方程數(shù)值解法63

一、數(shù)值求解的基本概念64

二、數(shù)值積分法65

三、關(guān)于數(shù)值積分法的幾點(diǎn)討論69

第五節(jié)數(shù)值算法中的“病態(tài)”問(wèn)題72

一、“病態(tài)”常微分方程72

二、控制系統(tǒng)仿真中的“病態(tài)”問(wèn)題74

三、“病態(tài)”系統(tǒng)的仿真方法75

第六節(jié)數(shù)字仿真中的“代數(shù)環(huán)”問(wèn)題76

一、問(wèn)題的提出76

二、“代數(shù)環(huán)”產(chǎn)生的條件77

三、消除“代數(shù)環(huán)”的方法78

第七節(jié)問(wèn)題與探究——電力電子器件

建模問(wèn)題81

一、問(wèn)題提出81

二、建模機(jī)理81

三、問(wèn)題探究84

小結(jié)85

習(xí)題86

第三章控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)88

第一節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其拓?fù)涿枋?8

一、控制系統(tǒng)常見(jiàn)的典型結(jié)構(gòu)形式88

二、控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)描述89

三、控制系統(tǒng)的連接矩陣90

第二節(jié)面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真92

一、典型閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字仿真92

二、復(fù)雜連接的閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字仿真97

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103

一、連續(xù)系統(tǒng)的離散化模型法103

二、非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真112

第四節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真119

一、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述120

二、采樣控制系統(tǒng)的仿真方法123

三、采樣控制系統(tǒng)仿真程序?qū)崿F(xiàn)126

第五節(jié)問(wèn)題與探究——一類非線性控制

系統(tǒng)數(shù)字仿真的效率問(wèn)題132

一、問(wèn)題提出132

二、問(wèn)題分析133

三、幾點(diǎn)討論139

小結(jié)139

習(xí)題140

第四章控制系統(tǒng)CAD142

第一節(jié)概述142

第二節(jié)經(jīng)典控制理論CAD143

一、控制系統(tǒng)固有特性分析143

二、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法146

三、控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)154

第三節(jié)基于雙閉環(huán)PID控制的一階倒立

擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)159

一、系統(tǒng)模型159

二、模型驗(yàn)證161

三、雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計(jì)165

四、仿真實(shí)驗(yàn)170

五、結(jié)論173

第四節(jié)現(xiàn)代控制理論CAD173

一、線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)174

二、模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)182

第五節(jié)基于時(shí)間最優(yōu)控制的起重機(jī)防

擺控制技術(shù)研究188

一、問(wèn)題的提出188

二、時(shí)間最優(yōu)控制189

三、系統(tǒng)建模190

四、模型驗(yàn)證190

五、時(shí)間最優(yōu)控制策略192

六、仿真實(shí)驗(yàn)194

七、結(jié)論196

第六節(jié)問(wèn)題與探究——“球車系統(tǒng)”的

建模與控制問(wèn)題197

一、問(wèn)題提出197

二、系統(tǒng)建模197

三、問(wèn)題探究198

小結(jié)198

習(xí)題199

第五章數(shù)字仿真技術(shù)的綜合應(yīng)用202

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202

一、雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)的目的202

二、關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問(wèn)題203

三、關(guān)于ASR與ACR的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題203

四、雙閉環(huán)VM調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析205

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

方法207

一、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計(jì)207

二、“高精度齒輪量?jī)x”位置伺服系統(tǒng)

控制器設(shè)計(jì)209

第三節(jié)“水箱系統(tǒng)”液位控制的仿真

研究211

一、系統(tǒng)建模211

二、數(shù)字仿真211

三、結(jié)果分析211

第四節(jié)一階倒立擺系統(tǒng)的雙閉環(huán)模糊

控制方案212

一、引言212

二、模糊理論中的幾個(gè)基本概念213

三、一階倒立擺系統(tǒng)的雙閉環(huán)模糊控制214

四、仿真實(shí)驗(yàn)216

五、結(jié)論223

第五節(jié)基于單位功率因數(shù)的PWM整流

器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)223

一、引言223

二、滑模變結(jié)構(gòu)控制224

三、系統(tǒng)建模與模型驗(yàn)證225

四、基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的PWM整流

器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)226

五、仿真實(shí)驗(yàn)230

六、結(jié)論234

第六節(jié)問(wèn)題與探究——兩輪電動(dòng)車自平

衡控制問(wèn)題234

一、問(wèn)題提出234

二、系統(tǒng)建模236

三、問(wèn)題探究237

小結(jié)238

習(xí)題238

參考文獻(xiàn)2412100433B

《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。

在概述了仿真技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的基礎(chǔ)上，以MATLAB語(yǔ)言為平臺(tái)，系統(tǒng)地闡述了數(shù)字仿真技術(shù)的基本概念、原理與方法，概括了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的基本內(nèi)容，主要包括控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與模型的建立、數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)方法、控制系統(tǒng)CAD及其綜合應(yīng)用等。