直流輸電系統(tǒng)數(shù)字仿真

狀態(tài)方程法和離散化模型法的區(qū)別僅僅是對系統(tǒng)方程進行離散化處理的次序不同。離散化模型法是通過系統(tǒng)中的每個元件支路方程的離散化而形成整個系統(tǒng)方程的離散化，即由于局部的離散化而導致整體的離散化。而狀態(tài)方程法對系統(tǒng)方程的離散化則是由于狀態(tài)方程按步長的離散化計算而出現(xiàn)的。因此，這兩種數(shù)學模型在本質上是一致的，即如果選用的積分公式相當，則兩種數(shù)學模型所得的結果也是相當?shù)摹?

用此法求解線性網(wǎng)絡的步驟為：（1）根據(jù)描述單個元件特性的微分方程或代數(shù)方程導出描述整個系統(tǒng)狀態(tài)的微分方程組，用一階微分方程組并按規(guī)定的格式排列時，又稱狀態(tài)方程；（2）選擇適當?shù)臄?shù)值積分公式對微分方程組進行離散化處理，并形成相應的離散化代數(shù)方程組；（3）利用遞推法求解離散化代數(shù)方程組，最終得到網(wǎng)絡在一系列時間離散點上的數(shù)值解。狀態(tài)方程法的特點是直觀、明了，但通常因每次建立閥通斷組態(tài)不變的時間段內(nèi)的整個系統(tǒng)狀態(tài)方程比較復雜，而顯得不夠簡捷。2100433B

直流輸電系統(tǒng)的關鍵設備換流閥是一種電力電子開關器件，它不但具有強烈的非線性伏安特性，而且周期性地開通和關斷，使換流器的閥通斷組態(tài)不斷變動，表征系統(tǒng)電路圖形的拓撲結構也隨之發(fā)生變化。因此，直流輸電系統(tǒng)數(shù)字仿真的主要特點為：（1）從過程總體而言是一個非線性系統(tǒng)；（2）在換流器的閥通斷組態(tài)不變的每一時段內(nèi)，仍可視為線性系統(tǒng)；（3）憑借閥通斷組態(tài)變化時刻前后狀態(tài)變量的連續(xù)性，兩相鄰時段得以銜接，從而可能完成直流輸電中被研究課題的整個過程的計算和分析。其實質是采用分時段求解線性系統(tǒng)的方法，來完成非線性系統(tǒng)的計算。通常采用時域分析方法求解分段線性系統(tǒng)，分狀態(tài)方程法和離散化模型法兩類，都大致有建立數(shù)學模型、選用合適的計算方法、編出相應的程序和在計算機上進行數(shù)值計算等步驟。

仿真技術已成為現(xiàn)代工程師必須掌握的基本技能之一。而MATLAB語言的出現(xiàn)，使得數(shù)字仿真技術進入實質性的應用階段。MATLAB計算功能強大、圖形功能豐富、易學易用，已成為控制理論與控制工程、圖像處理與識別及計算機仿真領域的一個有力工具。控制系統(tǒng)的建模、時域分析、頻域分析、控制系統(tǒng)的校正與設計都離不開MATLAB的支持，圖像圖形的除噪、除霧處理，也離不開MATLAB的支持。

本書通過大量仿真實例，對MATLAB 7.0的功能、操作及其在控制系統(tǒng)和圖像處理中的應用進行了闡述和講解，書中的所有實例程序均經(jīng)過驗證和測試，是編者多年來教學和科研的結晶。本書共7章，第1章概述仿真技術的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢。第2章和第3章介紹MATLAB語言基礎和控制系統(tǒng)的數(shù)學描述與建模，介紹常用的MATLAB基本命令，通過實例描述如何對控制系統(tǒng)進行建模。第4章結合自動控制理論的課程內(nèi)容，介紹控制系統(tǒng)的時頻域分析及校正設計。第5章描述如何運用SIMULINK對控制系統(tǒng)進行仿真，重點介紹了S函數(shù)的編寫以及如何利用SIMULINK模型與S函數(shù)的結合，實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的仿真。第6章介紹常用的圖像處理命令，以及三個圖像處理的仿真實例，包括數(shù)字水印版權保護系統(tǒng)、圖像融合、霧環(huán)境下的圖像增強處理等完整系統(tǒng)的仿真程序與實現(xiàn)過程。第7章介紹汽車電子控制系統(tǒng)的仿真實例。

本書的編寫分工為：上海工程技術大學吳健珍為主編并編寫第1章、第4～6章，羅曉編寫第7章，陳劍雪編寫第2、3章。上海工程技術大學張莉萍教授為主審。在本書的編寫過程中，得到了學院領導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，書中錯誤和疏漏之處在所難免，敬請廣大讀者和專家批評指正。

編者

2014年2月

第3版前言

第一章概述1

第一節(jié)控制系統(tǒng)的實驗方法1

一、解析法1

二、實驗法1

三、仿真實驗法2

第二節(jié)仿真實驗的分類與性能比較2

一、按模型分類3

二、按計算機類型分類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)仿真技術的應用與發(fā)展16

一、仿真技術在工程中的應用16

二、應用仿真技術的重要意義17

三、仿真技術的發(fā)展趨勢18

第六節(jié)問題與探究——虛擬現(xiàn)實與仿真

技術18

一、虛擬現(xiàn)實技術18

二、虛擬現(xiàn)實仿真技術22

三、基于虛擬樣機的球棒控制系統(tǒng)仿真25

小結27

習題27

第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學描述30

第一節(jié)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型30

一、控制系統(tǒng)數(shù)學模型的表示形式30

二、數(shù)學模型的轉換32

三、線性時不變系統(tǒng)的對象數(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)建模實例39

一、獨輪自行車實物仿真問題39

二、龍門起重機運動控制問題42

三、水箱液位控制問題46

四、燃煤熱水鍋爐控制問題49

五、三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)控制

問題51

六、磁懸浮軸承運動控制問題56

第三節(jié)實現(xiàn)問題61

一、單變量系統(tǒng)的可控標準型實現(xiàn)61

二、控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真實現(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、關于數(shù)值積分法的幾點討論69

第五節(jié)數(shù)值算法中的“病態(tài)”問題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)”問題76

一、問題的提出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)問題與探究——電力電子器件

建模問題81

一、問題提出81

二、建模機理81

三、問題探究84

小結85

習題86

第三章控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的實現(xiàn)88

第一節(jié)控制系統(tǒng)的結構及其拓撲描述88

一、控制系統(tǒng)常見的典型結構形式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)結構圖的數(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)計算機控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真119

一、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學描述120

二、采樣控制系統(tǒng)的仿真方法123

三、采樣控制系統(tǒng)仿真程序實現(xiàn)126

第五節(jié)問題與探究——一類非線性控制

系統(tǒng)數(shù)字仿真的效率問題132

一、問題提出132

二、問題分析133

三、幾點討論139

小結139

習題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)的設計方法146

三、控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計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)設計159

一、系統(tǒng)模型159

二、模型驗證161

三、雙閉環(huán)PID控制器設計165

四、仿真實驗170

五、結論173

第四節(jié)現(xiàn)代控制理論CAD173

一、線性二次型最優(yōu)控制器設計174

二、模型參考自適應控制系統(tǒng)設計182

第五節(jié)基于時間最優(yōu)控制的起重機防

擺控制技術研究188

一、問題的提出188

二、時間最優(yōu)控制189

三、系統(tǒng)建模190

四、模型驗證190

五、時間最優(yōu)控制策略192

六、仿真實驗194

七、結論196

第六節(jié)問題與探究——“球車系統(tǒng)”的

建模與控制問題197

一、問題提出197

二、系統(tǒng)建模197

三、問題探究198

小結198

習題199

第五章數(shù)字仿真技術的綜合應用202

第一節(jié)直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計

中的若干問題202

一、雙閉環(huán)VM調速系統(tǒng)的目的202

二、關于積分調節(jié)器的飽和非線性問題203

三、關于ASR與ACR的工程設計問題203

四、雙閉環(huán)VM調速系統(tǒng)的動態(tài)分析205

第二節(jié)數(shù)字PID調節(jié)器的魯棒性設計

方法207

一、數(shù)字PID調節(jié)器的魯棒性設計207

二、“高精度齒輪量儀”位置伺服系統(tǒng)

控制器設計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、仿真實驗216

五、結論223

第五節(jié)基于單位功率因數(shù)的PWM整流

器控制系統(tǒng)設計223

一、引言223

二、滑模變結構控制224

三、系統(tǒng)建模與模型驗證225

四、基于滑模變結構控制的PWM整流

器控制系統(tǒng)設計226

五、仿真實驗230

六、結論234

第六節(jié)問題與探究——兩輪電動車自平

衡控制問題234

一、問題提出234

二、系統(tǒng)建模236

三、問題探究237

小結238

習題238

參考文獻2412100433B

本書闡述了數(shù)字仿真技術的概念，介紹了如何運用MATLAB語言對控制系統(tǒng)建模、分析和設計過程、數(shù)字圖像處理等進行仿真實現(xiàn)。全書共7章，可分為三大部分內(nèi)容，第一部分為數(shù)字仿真的概念和MATLAB命令基礎（第1、2章）；第二部分為控制系統(tǒng)建模、時頻域分析與設計的MATLAB實現(xiàn)、S函數(shù)的編程（第3~5章）；第三部分為系統(tǒng)仿真實例，包括圖像處理仿真實例和汽車電子控制系統(tǒng)的仿真實例（第6、7章）。

本書立足于經(jīng)典控制理論的理論知識，運用MATLAB語言采用大量仿真實例進行演示，內(nèi)容系統(tǒng)、實例詳盡、講解透徹，有助于激發(fā)讀者的學習興趣。在闡述了MATLAB語言基礎后，按照對對象系統(tǒng)的研究過程，首先給出系統(tǒng)的建模方法，建模后可通過時頻域方法對系統(tǒng)進行分析及校正設計。最后，通過對數(shù)字水印系統(tǒng)、圖像融合、圖像去霧處理及汽車電子控制系統(tǒng)等完整系統(tǒng)的仿真實例進一步演示如何進行系統(tǒng)仿真，使讀者能夠通過所舉的例子快速掌握MATLAB編程。

本書系高等院校自動化專業(yè)本科生教材，可作為電氣工程及其自動化等專業(yè)“仿真技術”類課程的教學用書，也可供相關學科科研或工程技術人員參考。