“十三五”普通高等教育规划教材 计算机控制及系统仿真PDF电子书下载

第1章 计算机控制及仿真概述 1

1.1 自动控制的基本知识 1

1.1.1 控制理论的发展 1

1.1.2 自动控制的概念及其应用 3

1.1.3 控制的基本方式 3

1.1.4 对控制系统的性能要求 5

1.2 自动控制系统的组成及分类 6

1.2.1 控制系统的组成 6

1.2.2 自动控制系统的分类 7

1.3 系统仿真的基本知识 8

1.3.1 仿真的概念和仿真过程 8

1.3.2 系统仿真的分类 11

1.4 计算机仿真的特点及其应用 12

1.4.1 计算机仿真的特点 12

1.4.2 计算机仿真技术的应用 13

1.5 MATLAB相关简介 14

1.5.1 MATLAB的产生与发展 14

1.5.2 MATLAB的主要功能 15

1.5.3 MATLAB的基本应用 15

1.6 Simulink简介 18

1.6.1 Simulink概述 18

1.6.2 Simulink的启动及界面 19

1.6.3 Simulink的模块库 20

1.7 Simulink基本操作 22

1.7.1 模型窗口 22

1.7.2 模块的操作处理 23

1.7.3 模块的连接 24

1.7.4 系统模型图的创建 25

1.7.5 自定义模块库和子系统 27

1.8 利用MATLAB对汽车控制系统的仿真实例 32

1.8.1 问题的描述 32

1.8.2 系统的模型表示 33

1.8.3 利用MATLAB对汽车控制系统的设计 34

1.8.4 利用Simulink对汽车控制系统的设计 39

本章小结 40

习题 42

第2章 线性连续系统的数学模型及其相互转换 44

2.1 微分方程 44

2.1.1 微分方程的建立 44

2.1.2 非线性系统微分方程的线性化 45

2.2 传递函数 47

2.2.1 拉普拉斯变换 47

2.2.2 系统的传递函数 48

2.2.3 自动控制系统的传递函数 51

2.2.4 MATLAB语言中的传递函数表示 52

2.3 系统的功能图 53

2.3.1 功能图的组成和绘制 54

2.3.2 功能图的等效变换 55

2.3.3 利用MATLAB对控制系统的功能图进行描述和转换 56

2.4 状态空间描述 61

2.4.1 状态空间概念 61

2.4.2 状态空间表达式 61

2.4.3 MATLAB语言中的状态空间模型表示 64

2.5 数学模型的相互转换 65

2.5.1 微分方程和状态空间表达式之间的转换 66

2.5.2 传递函数和状态空间表达式之间的转换 66

2.5.3 利用MATLAB对数学模型进行相互转换 67

本章小结 69

习题 70

第3章 线性离散系统的数学描述 72

3.1 线性离散系统概述 72

3.2 离散系统的时域描述——差分方程 72

3.2.1 差分方程 72

3.2.2 差分方程的求解 73

3.3 z变换 73

3.3.1 z变换的定义 73

3.3.2 z变换的求解方法 74

3.3.3 z变换的基本性质 75

3.3.4 z反变换 75

3.3.5 用z变换求解差分方程 77

3.4 脉冲传递函数 77

3.4.1 脉冲传递函数的定义 77

3.4.2 开环系统的脉冲传递函数 78

3.4.3 闭环系统的脉冲传递函数 79

3.5 离散状态空间表达式 81

3.5.1 差分方程的输入不包含差分项 81

3.5.2 差分方程的输入包含差分项 82

3.6 离散动态系统的MATLAB仿真 84

本章小结 86

习题 86

第4章 计算机控制系统的经典设计方法 88

4.1 概述 88

4.2 数字PID控制器设计 88

4.2.1 模拟PID控制器 89

4.2.2 数字PID控制器 89

4.2.3 数字PID控制算法实现方式比较 90

4.2.4 数字PID控制算法流程 90

4.3 数字PID算法的改进 91

4.3.1 积分项的改进 91

4.3.2 微分项的改进 92

4.3.3 时间最优PID控制 93

4.3.4 带死区的PID控制算法 93

4.4 PID参数的整定 94

4.4.1 采样周期的选择 94

4.4.2 按简易工程法整定PID参数 94

4.4.3 优选法 96

4.4.4 凑试法确定PID参数 96

4.4.5 PID控制参数的自整定法 97

4.5 利用MATLAB设计PID控制器 98

本章小结 108

习题 109

第5章 计算机控制系统的复杂控制规律设计 110

5.1 最少拍控制器的设计 110

5.1.1 数字控制器的离散化设计步骤 110

5.1.2 最少拍控制系统D（z）的设计 111

5.1.3 典型输入下的最少拍控制系统分析 112

5.1.4 最少拍控制器设计的限制条件 115

5.2 纯滞后控制技术 117

5.2.1 大林算法的基本形式 117

5.2.2 振铃现象及其消除方法 119

5.2.3 Smith预估控制 121

5.3 串级控制技术 124

5.3.1 串级控制的结构和原理 124

5.3.2 数字串级控制算法 125

5.4 利用MATLAB设计最少拍系统 126

本章小结 128

习题 129

第6章 计算机控制系统的现代控制技术 130

6.1 采用状态空间的输出反馈设计法 130

6.1.1 连续状态方程的离散化 130

6.1.2 最少拍无纹波系统的跟踪条件 131

6.1.3 输出反馈设计法的设计步骤 132

6.2 采用状态空间的极点配置设计法 134

6.2.1 按极点配置设计控制规律 134

6.2.2 按极点配置设计状态观测器 135

6.2.3 按极点配置设计控制器 138

6.3 采用状态空间的最优化设计法 141

6.3.1 LQ最优控制器设计 141

6.3.2 LQG最优控制器 142

6.4 利用MATLAB设计现代控制系统 142

6.4.1 极点配置设计的MATLAB实现 142

6.4.2 LQ最优控制器的MATLAB实现 147

本章小结 151

习题 152

第7章 控制系统的仿真原理及算法 153

7.1 数值积分法 153

7.1.1 欧拉（Euler）法 154

7.1.2 梯形法 155

7.1.3 龙格-库塔（Runge-Kutta）法 156

7.1.4 数值积分公式的应用 157

7.1.5 仿真精度与系统稳定性 160

7.2 快速仿真算法 162

7.2.1 时域矩阵法 162

7.2.2 增广矩阵法 164

7.2.3 替换法 167

7.2.4 根匹配法 168

7.3 离散相似法 170

7.3.1 仿真算法描述 171

7.3.2 典型环节的离散模型 172

7.4 线性系统仿真 174

7.4.1 线性系统的数值积分法仿真 174

7.4.2 线性系统的离散相似法仿真 177

7.5 非线性系统仿真 178

7.5.1 典型非线性特性 178

7.5.2 非线性系统的仿真过程及应用 180

7.6 采样系统仿真 182

7.6.1 采样控制系统的算法描述 182

7.6.2 采样周期与仿真步距的关系 183

7.6.3 采样系统的仿真应用 185

本章小结 187

习题 187

第8章 控制系统的数据处理技术 189

8.1 数字滤波 189

8.1.1 平均值滤波 189

8.1.2 中值滤波 191

8.1.3 RC低通数字滤波 191

8.1.4 复合数字滤波 192

8.1.5 各种数字滤波性能的比较 192

8.2 标度变换 193

8.2.1 线性参数标度变换 193

8.2.2 非线性参数标度变换 194

8.3 插值算法 195

8.3.1 线性插值法 195

8.3.2 分段插值算法 196

8.3.3 数据插值的MATLAB实现 196

8.4 越限报警处理 201

本章小结 201

习题 202

第9章 控制系统的MATLAB/Simulink仿真 203

9.1 Simulink仿真的参数设置 203

9.1.1 系统模型的实时操作与仿真参数设置 203

9.1.2 Solver解算器选项卡的参数设置 204

9.1.3 Workspace I/O工作空间选项卡参数设置 206

9.2 控制系统的Simulink仿真 207

9.2.1 利用Simulink系统仿真模型的仿真处理 207

9.2.2 利用Simulink动态结构图的仿真处理 214

本章小结 219

习题 220

第10章 MATLAB/Simulink仿真与建模在实际中的应用 222

10.1 飞机偏航阻尼器设计 222

10.1.1 数学模型及MATLAB描述 222

10.1.2 校正前系统性能分析 224

10.1.3 利用MATLAB校正设计 228

10.1.4 校正后系统性能分析 233

10.2 飞行器控制系统设计 235

10.2.1 飞行器控制系统数学模型 236

10.2.2 飞行器控制系统解析 237

10.2.3 装置优化的MATLAB/Simulink设计 238

10.2.4 频域性能分析 242

本章小结 245

参考文献 246