控制系统的数字仿真及计算机辅助设计PDF电子书下载

1　概论 1

1.1　仿真技术概述 1

1.1.1　仿真技术简介 1

1.1.2　仿真技术的应用与发展 2

1.2　计算机辅助设计控制系统的形成与发展 4

习题 5

2　连续系统数学模型表示方法及实现 6

2.1　连续系统的数学模型表示方法 6

2.1.1　连续时间模型 6

2.1.2　离散时间模型 7

2.1.3　连续-离散混合模型 8

2.1.4　数学模型之间的转换 9

2.2　实现问题 12

2.2.1　可控标准型 12

2.2.2　可观标准型 16

2.2.3　对角标准型 18

2.2.4　若当标准型 19

2.2.5　传递函数中分子分母同阶次时的处理 21

2.2.6　状态初值的通用求解方法 25

习题 26

3　连续系统的离散化 27

3.1 引言 27

3.1.1　解析解与数值解 27

3.1.2　常微分方程初值问题和边值问题 27

3.1.3　线性常微分方程组的稳定性 28

3.1.4　病态微分方程组 29

3.1.5　数值解的稳定性 30

3.1.6　数值计算中误差的来源 35

3.2　数值分析方法 36

3.2.1　化导数为差商的方法 36

3.2.2　泰勒展式法 37

3.2.3　数值积分法 37

3.3　常用的数值积分方法 38

3.3.1 单步法 38

3.3.2 多步法 45

3.3.3　预估-校正法 46

3.3.4　数值积分方法的选择 48

3.4 离散相似法离散连续系统 49

3.4.1　连续系统状态方程的离散化 50

3.4.2　连续系统传递函数的离散化 53

3.4.3　快速数字仿真算法 55

3.4.4　信号重构 56

3.4.5　保持器的传递函数及其频率特性 59

3.4.6　离散相似模型的校正 62

习题 64

4　连续控制系统的仿真 65

4.1　仿真模型的结构 65

4.1.1 面向闭环系统微分方程（或传递函数）的数字仿真 65

4.1.2　面向系统结构图的数字仿真 65

4.2　典型环节的离散化系统及其差分方程 68

4.2.1 三阶环节 68

4.2.2　滞后环节 69

4.3　控制系统结构图的数值表示方法 71

4.4　非线性系统的仿真 75

4.4.1　饱和、分段线性及失灵区非线性特性 75

4.4.2　间隙非线性特性 76

4.4.3　继电及具有死区的继电非线性特性 77

4.4.4　具有滞环的继电非线性特性 77

4.4.5　具有死区和滞环的继电非线性特性 79

4.5　关于仿真误差及数值稳定性问题 80

4.5.1　截断误差 80

4.5.2　舍入误差 80

习题 81

5　采样控制系统的数字仿真 83

5.1　计算机控制系统的仿真 83

5.2　数字控制器的仿真 84

习题 85

6　计算机辅助建立系统动态模型 86

6.1　用经典时域辨识法建立对象动态数学模型 86

6.1.1 阶跃响应与方波响应 86

6.1.2　低阶传递函数模型的建立 89

6.1.3　从响应曲线求对象的微分方程模型 95

6.2　用频域法辨识系统模型 102

6.2.1 由系统脉冲过渡函数g（t）计算频率特性 102

6.2.2 由系统的频率特性拟合传递函数 104

6.3　用相关分析法辨识系统脉冲响应函数 111

6.3.1　相关分析法的理论基础 112

6.3.2　相关函数的实验求取方法 113

6.3.3　用白噪声测定系统的脉冲响应 113

6.3.4　用伪随机信号辨识脉冲响应函数 114

习题 119

7　基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计 120

7.1　单变量系统的稳定性分析 120

7.1.1　劳斯判据 120

7.1.2　霍尔维茨稳定判据 122

7.2　传递函数的频率特性计算 123

7.2.1 因式分解形式的传递函数频率特性计算 123

7.2.2　直接计算多项式表示的传递函数频率特性 125

7.2.3　系统的稳定裕度 126

7.3　基于频域法的单变量控制系统计算机辅助设计 127

7.3.1　基于频域法的串联校正原理 128

7.3.2　校正装置传递函数的计算 129

7.4　多变量系统设计的现代频域方法简介 137

7.4.1　概述 137

7.4.2　基本概念 137

7.4.3　现代频域方法简介 140

习题 143

8　PID控制器的计算机仿真与辅助设计 144

8.1　PID控制器 144

8.1.1　标准PID控制算法 144

8.1.2　标准PID控制算法的改进 145

8.1.3　连续系统PID控制器仿真及设计 147

8.1.4　数字PID控制器仿真及设计 150

8.2　PID控制器的参数自动整定 151

8.2.1　PID控制器的参数整定与自动整定 151

8.2.2　基于继电反馈控制的PID控制器参数自动整定 152

8.2.3　示例 153

8.3　鲁棒PID控制器参数整定 155

8.3.1　鲁棒PID控制器参数整定思想 155

8.3.2　鲁棒PID控制器参数整定算法 156

8.3.3　鲁棒PID控制器示例 157

习题 159

9　基于时域的线性控制系统计算机辅助设计 160

9.1　状态反馈和极点配置 160

9.1.1　系统的状态能控性和状态能观性 160

9.1.2　状态反馈和输出反馈 161

9.1.3　单输入系统的极点配置 161

9.1.4　多输入系统的极点配置 166

9.2　具有线性二次型性能指标的最优控制系统 166

9.2.1　概述 166

9.2.2　状态调节器 168

9.2.3　最优线性输出调节器问题 170

9.2.4　具有期望衰减度的线性二次型调节器 172

9.3　鲁棒控制器 175

9.3.1　概述 175

9.3.2　鲁棒控制器的定义 176

9.3.3　鲁棒控制器的存在条件 176

9.3.4　鲁棒控制器的结构 177

9.3.5　鲁棒控制器的性质 178

9.4　模型预测控制器 179

9.4.1　预测控制基本原理 179

9.4.2　预测控制算法介绍 180

9.4.3　参数选择 183

9.4.4　多变量DMC算法 186

9.5　计算机辅助设计控制系统的工程应用实例之一 187

9.5.1　造纸生产过程简介 187

9.5.2　计算机辅助建立纸机模型 188

9.5.3　控制系统计算机辅助设计 189

9.5.4　控制系统实施 193

9.6　计算机辅助设计控制系统的工程应用实例之二 194

9.6.1　常压塔控制回路工艺 194

9.6.2　常压塔先进控制系统总体结构 195

9.6.3　常压塔多变量预测控制器设计 195

9.6.4　控制系统计算机辅助设计 197

9.6.5　控制系统实施 197

习题 199

10　计算机控制系统设计与仿真软件 200

10.1　CACSD简介 200

10.1.1　CACSD软件形成的历史背景 200

10.1.2　CACSD的主要内容及特点 201

10.1.3　CACSD软件国内外发展概况 202

10.2　MATIAB控制系统设计 204

10.2.1 MATLAB控制功能介绍 205

10.2.2　基于SIMULINK的控制系统设计 208

10.2.3　MATLAB在倒摆系统设计中的应用 212

10.2.4　MATLAB类软件介绍 216

10.3　SLICOT软件 223

10.3.1　SLICOT功能介绍 223

10.3.2　算法改进 224

10.3.3　性能比较 224

10.4　采样控制系统软件DirectSD 226

10.4.1　理论基础 226

10.4.2　系统描述 227

10.4.3　最优随机控制 227

10.4.4　最优跟踪系统的设计 229

10.4.5　最优稳定系统设计举例 229

10.5　CACSD的技术现状和展望 231

习题 232

参考文献 233