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第一章 绪论 1

练习 1

1.1 系统与系统模型 1

1.2 数字仿真与模拟仿真 4

1.3 数字仿真的基本方法 4

1.4 采用仿真技术的意义 5

练习 6

第二章 机电系统的数学模型 7

2.1 系统的时域模型——状态方程 7

2.1.1 系统的状态变量 7

2.1.2 线性系统的状态方程 8

2.1.3 建立状态方程的步骤 9

2.2.1 作用函数不含导数项的情形 11

2.2 系统输入／输出方程变换为状态方程 11

2.2.2 作用函数含有导数项的情形 13

2.3 非线性模型的线性化 14

2.3.1 系统的非线性 14

2.3.2 线性化的基本法则 16

2.3.3 线性化步骤 17

2.3.4 多自变量非线性系统模型的线性化 20

2.3.5 线性时变系统模型的线性化 20

2.4 由传递函数导出状态方程 21

2.4.1 状态变量图 21

2.4.2 级联法 22

2.4.3 串联法 23

2.4.4 并联法 24

2.5 状态方程解法的一般讨论 25

2.5.1 解析解法之一——频域法 25

2.5.2 解析解法之二——时域法 27

2.5.3 输出方程的频域解和时域解 28

2.6 状态方程的标准化 29

练习 31

第三章 基于数值积分的连续系统数字仿真 34

3.1 数值积分方法 34

3.1.1 直接单步法 34

3.1.2 外推单步法 35

3.1.3 直接多步法 35

3.2 误差、步距和稳定性 37

3.1.4 外推多步法 37

3.2.1 舍入误差 38

3.2.2 局部截断误差 38

3.2.3 误差的控制 39

3.2.4 步距的自动选择 40

3.2.5 病态系统 41

3.3 非线性环节的仿真算法 43

3.4.1 程序的结构 45

3.4 面向系统微分方程的仿真程序（CSSP1） 45

3.4.2 变量与参数 46

3.4.3 子程序DIFFEQ 46

3.4.5 子程序RUN 47

3.4.4 子程序INTEG 47

3.4.6 主程序 48

3.4.7 输出子程序OUTSUB 48

3.4.8 程序清单 48

3.5 面向系统结构图的仿真程序（CSSP2） 55

3.5.1 面向系统结构图的仿真模型 55

3.5.2 CSSP2的程序结构 60

3.5.3 CSSP2的使用方法 64

3.6 关于初始条件的讨论 67

3.6.1 线性系统 67

3.6.2 非线性系统 68

练习 69

第四章 基于离散相似模型的连续系统数字仿真 71

4.1 连续信号离散化原理 71

4.1.1 理想采样器与采样定理 71

4.1.2 采样频率对f（t）频谱的影响 72

4.1.3 信号重构 74

4.2 Z变换及其反变换 77

4.2.1 Z变换的推导 77

4.2.2 Z变换的几个重要定理 79

4.2.3 Z反变换 79

4.3.1 脉冲传递函数 83

4.3 经采样与信号重构的仿真模型 83

4.3.2 线性环节的离散相似模型 84

4.3.3 离散相似模型的非唯一性 85

4.4 离散相似模型的稳定性 87

4.5 建造仿真差分方程式的步骤 88

4.6 连续系统离散化的状态转移法 90

4.6.1 系统连续状态方程的离散化 90

4.6.2 典型环节的离散状态方程 91

4.6.3 非线性环节的处理方法 92

4.7 离散相似法数字仿真程序CDSSP 94

4.7.1 CDSSP的构造原理 94

4.7.2 CDSSP仿真程序结构 95

4.73 CDSSP仿真程序说明 96

4.8 快速仿真方法 99

4.8.1 可调参数法 99

4.8.2 增广矩阵法 100

4.8.3 置换法 102

第五章 采样系统的数字仿真 106

5.1.2 典型的伺服定位系统 107

5.1 数字伺服控制系统 107

5.1.1 数字伺服控制系统的基本构成 107

5.1.3 基本元素的特性 108

5.2 采样系统数字仿真的一般方法 110

5.2.1 以采样时刻的系统输出为目标的仿真 110

5.2.2 以受控对象的状态变量为目标的仿真 111

5.3 数字控制系统的仿真 112

5.3.1 数字控制器的建模与仿真 113

5.3.2 延时环节的建模与仿真 115

5.3.3 数字控制系统仿真步长的选取（根匹配法） 116

5.3.4 用CDSSP仿真程序对采样系统仿真 118

5.4.1 时域矩阵法 120

5.4 采样系统快速仿真方法 120

5.4.2 时域矩阵法快速仿真程序 123

5.4.3 时域矩阵法对采样控制系统的仿真 124

练习 127

第六章 随机事件系统的数字仿真 129

6.1 随机事件系统的数学基础 129

6.2 随机事件仿真的数据获取 133

6.3 随机数与随机变量的生成 135

6.3.1 均匀分布随机数列 135

6.3.2 伪随机数列及生成算法 135

6.3.3 非均匀分布随机数列 136

6.3.4 反变换法 138

6.3.5 舍选法 140

6.4 仿真抽样的计算机方法 141

6.4.1 连续分布的仿真抽样 141

6.4.2 离散分布的仿真抽样 142

6.4.3 仿真抽样结果的有效性检验 143

6.5 多变量系统及其仿真 144

6.5.1 排队问题 144

6.5.2 多变量系统的仿真 145

6.5.3 多变量系统仿真的计算机程序 147

6.6 样本容量 150

6.6.1 置信区间的概念 151

6.6.2 总体参数的估计 151

6.6.3 样本容量的计算 152

6.7 仿真试验的实现 154

6.7.1 提出问题 154

6.7.2 系统描述 154

6.7.3 仿真模型 157

6.7.4 模型的描述 158

6.7.5 程序细节 160

6.7.6 初次试验的样本容量 160

6.8.1 随机过程的数学描述 161

6.8 随机过程及其仿真 161

6.7.7 仿真结果 161

6.8.2 白噪声随机过程 163

6.8.3 自相关函数的数值计算 164

6.8.4 功率谱密度的数值计算 166

6.8.5 随机连续系统的仿真 167

6.8.6 随机响应的数字特征仿真方法 169

练习 170

第七章 模拟计算机及模拟仿真 173

7.1 模拟计算机仿真概述 173

7.2.2 加法器和积分器 175

7.2.1 系数器 175

7.2 模拟计算机的基本运算部件 175

7.2.3 乘法器 177

7.2.4 函数产生器 177

7.3 模拟计算机系统 178

7.4 连续系统的模拟仿真方法 180

7.4.1 幅值和时间比例尺及其选择 180

7.4.2 微分方程模型的模拟仿真 182

7.4.3 非线性微分方程描述的系统 183

7.4.4 传递函数模型的模拟仿真 184

7.4.5 状态方程模型的模拟仿真 187

7.5.1 简单的汽车悬挂系统的模拟仿真 188

7.5 模拟仿真的应用实例 188

7.5.2 角度控制系统的模拟仿真 191

练习 194

第八章 仿真技术在机电系统分析与设计中的应用 195

8.1 概述 195

8.2 用仿真技术研究系统动态特性 195

8.3 仿真技术在数字控制器设计中的应用 203

8.3.1 数字控制器的设计原则 203

8.3.2 数字控制器最佳参数的选择 206

8.3.3 数字控制器设计的寻优程序 209

8.4.1 高速步进电机的数学模型 214

8.4 高速步进电机的动态仿真 214

8.4.2 程序的结构 216

8.4.3 控制优化的实现 217

8.4.4 仿真结果 219

附录一 CSSP2程序清单 221

附录二 CDSSP程序清单 239

附录三 离散分布抽样程序清单 251

附录四 修理机器问题程序清单 252

附录五 快速傅里叶变换（FFT）及程序清单 258

附录六 单纯形寻优法程序清单 262

参考文献 267