控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計

出版說明
前言
第1章　控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計概述1
1.1　控制理論和控制系統(tǒng)概述1
1.1.1　自動控制理論的歷史回顧1
1.1.2　控制系統(tǒng)分類2
1.2　系統(tǒng)仿真與仿真語言工具概述2
1.2.1　系統(tǒng)仿真與控制系統(tǒng)仿真2
1.2.2　常規(guī)計算機語言的局限性4
1.2.3　數學軟件的發(fā)展5
1.2.4　控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計軟件7
1.3　本書主要結構及相關內容9
1.3.1　本書結構概述9
1.3.2　MATLAB語言的相關資源10
1.3.3　書中的MATLAB代碼10
1.4　本章要點小結11
1.5　習題11
第2章　MATLAB語言——必備的基礎知識13
2.1　MATLAB的數據結構與語句結構14
2.1.1　MATLAB語言的變量與常量14
2.1.2　MATLAB的數據結構14
2.1.3　MATLAB的基本語句結構15
2.1.4　數據存儲與讀取16
2.1.5　MATLAB語言的基本運算16
2.2　MATLAB基本控制流程結構19
2.2.1　循環(huán)結構19
2.2.2　轉移結構20
2.2.3　開關結構21
2.2.4　試探結構22
2.3　MATLAB的M-函數設計22
2.3.1　MATLAB 語言的函數的基本結構23
2.3.2　可變輸入輸出個數的處理25
2.4　MATLAB 的圖形可視化25
2.4.1　二維圖形的繪制25
2.4.2　三維圖形的繪制30
2.4.3　圖形修飾34
2.5　MATLAB的圖形用戶界面設計入門34
2.5.1　圖形界面設計工具35
2.5.2　菜單設計系統(tǒng)41
2.5.3　界面設計舉例與技巧41
2.6　MATLAB語言與數學問題計算機求解47
2.6.1　線性代數問題的MATLAB求解47
2.6.2　常微分方程問題的MATLAB求解53
2.6.3　最優(yōu)化問題的MATLAB求解56
2.7　本章要點小結60
2.8　習題61
第3章　控制系統(tǒng)模型與轉換65
3.1　連續(xù)線性系統(tǒng)的數學模型65
3.1.1　線性系統(tǒng)的傳遞函數模型65
3.1.2　線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程模型68
3.1.3　線性系統(tǒng)的零極點模型69
3.1.4　多變量系統(tǒng)的傳遞函數矩陣模型70
3.2　離散系統(tǒng)模型71
3.2.1　離散傳遞函數模型71
3.2.2　離散狀態(tài)方程模型73
3.3　框圖描述系統(tǒng)的化簡74
3.3.1　控制系統(tǒng)的典型連接結構74
3.3.2　純時間延遲環(huán)節(jié)的處理77
3.3.3　節(jié)點移動時的等效變換78
3.3.4　復雜系統(tǒng)模型的簡化79
3.3.5　基于連接矩陣的結構圖化簡方法81
3.4　系統(tǒng)模型的相互轉換83
3.4.1　連續(xù)模型和離散模型的相互轉換83
3.4.2　系統(tǒng)傳遞函數的獲取85
3.4.3　控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程實現86
3.4.4　狀態(tài)方程的最小實現88
3.5　線性系統(tǒng)的模型降階89
3.5.1　Pad\e降階算法與Routh降階算法89
3.5.2　時間延遲模型的Pad\e近似93
3.5.3　帶有時間延遲系統(tǒng)的次最優(yōu)降階算法94
3.6　線性系統(tǒng)的模型辨識98
3.6.1　連續(xù)系統(tǒng)的模型辨識98
3.6.2　離散系統(tǒng)的模型辨識100
3.6.3　辨識模型的階次選擇105
3.6.4　離散系統(tǒng)辨識信號的生成106
3.6.5　多變量離散系統(tǒng)的辨識108
3.7　本章要點小結109
3.8　習題110
第4章　線性控制系統(tǒng)的計算機輔助分析114
4.1　線性系統(tǒng)定性分析114
4.1.1　線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析114
4.1.2　線性系統(tǒng)的線性相似變換117
4.1.3　線性系統(tǒng)的可控性分析117
4.1.4　線性系統(tǒng)的可觀測性分析121
4.1.5　Kalman規(guī)范分解122
4.2　線性系統(tǒng)時域響應解析解法122
4.2.1　基于狀態(tài)方程的解析解方法123
4.2.2　連續(xù)狀態(tài)方程的直接積分求解方法125
4.2.3　基于部分分式展開方法求解125
4.2.4　二階系統(tǒng)的階躍響應及階躍響應指標129
4.3　線性系統(tǒng)的數字仿真分析131
4.3.1　線性系統(tǒng)的時域響應131
4.3.2　任意輸入下系統(tǒng)的響應135
4.4　根軌跡分析136
4.5　線性系統(tǒng)頻域分析140
4.5.1　單變量系統(tǒng)的頻域分析141
4.5.2　利用頻率特性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性144
4.5.3　多變量系統(tǒng)的頻域分析146
4.5.4　頻域分析的復域空間擴展150
4.6　本章要點小結151
4.7　習題152
第5章　Simulink在系統(tǒng)仿真中的應用157
5.1　Simulink建模的基礎知識157
5.1.1　Simulink簡介157
5.1.2　Simulink下常用模塊簡介158
5.1.3　Simulink下其他工具箱的模塊組164
5.2　Simulink建模與仿真164
5.2.1　Simulink建模方法簡介164
5.2.2　仿真算法與控制參數選擇168
5.2.3　Simulink在控制系統(tǒng)仿真研究中的應用舉例170
5.3　非線性系統(tǒng)分析與仿真179
5.3.1　分段線性的非線性環(huán)節(jié)179
5.3.2　非線性系統(tǒng)的極限環(huán)研究182
5.3.3　非線性環(huán)節(jié)的描述函數數值求取方法183
5.3.4　非線性系統(tǒng)的線性化186
5.4　子系統(tǒng)與模塊封裝技術188
5.4.1　子系統(tǒng)概念及構成方法188
5.4.2　模塊封裝方法189
5.4.3　模塊集構造194
5.5　S-函數及其應用194
5.5.1　S-函數的基本結構195
5.5.2　用MATLAB編寫S-函數舉例196
5.5.3　S-函數的封裝199
5.6　輸出顯示形式199
5.7　本章要點小結202
5.8　習題203
第6章　控制系統(tǒng)計算機輔助設計207
6.1　基于傳遞函數的控制器設計方法207
6.1.1　串聯(lián)超前滯后校正器208
6.1.2　基于相位裕量的設計方法209
6.1.3　控制系統(tǒng)工具箱中的設計界面214
6.2　狀態(tài)反饋控制218
6.3　基于狀態(tài)反饋的控制器設計方法219
6.3.1　線性二次型指標最優(yōu)調節(jié)器219
6.3.2　極點配置控制器設計221
6.3.3　觀測器設計及基于觀測器的調節(jié)器設計224
6.4　多變量系統(tǒng)的解耦控制228
6.4.1　狀態(tài)反饋解耦控制228
6.4.2　狀態(tài)反饋的極點配置解耦系統(tǒng)230
6.5　本章要點小結232
6.6　習題232
第7章　PID控制器與最優(yōu)控制器設計234
7.1　PID控制器及其建模234
7.1.1　PID控制器概述234
7.1.2　離散PID控制器235
7.1.3　PID控制器的變形236
7.2　過程系統(tǒng)的一階延遲模型近似237
7.2.1　由響應曲線識別一階模型238
7.2.2　基于頻域響應的近似方法239
7.2.3　基于傳遞函數的辨識方法240
7.2.4　最優(yōu)降階方法240
7.3　Ziegler-Nichols參數整定方法241
7.3.1　Ziegler-Nichols經驗公式241
7.3.2　改進的Ziegler-Nichols算法243
7.3.3　改進PID控制結構與算法245
7.3.4　最優(yōu)PID整定算法248
7.3.5　大時間延遲的Smith預估器補償249
7.4　PID工具箱應用舉例252
7.4.1　基于FOLPD的PID控制器設計程序252
7.4.2　下的PID控制器模塊集255
7.5　最優(yōu)控制器設計258
7.5.1　最優(yōu)控制的概念258
7.5.2　最優(yōu)控制目標函數的選擇259
7.5.3　控制器參數尋優(yōu)262
7.5.4　基于MATLAB/的最優(yōu)控制程序及其應用265
7.5.5　最優(yōu)控制程序的其他應用268
7.6　最優(yōu)PID控制器設計程序269
7.7　本章要點小結273
7.8　習題273
第8章　控制工程中的仿真技術應用275
8.1　電路和電子系統(tǒng)的建模與仿真275
8.1.1　復雜系統(tǒng)的建模概述275
8.1.2　SimPowerSystems簡介276
8.1.3　電路系統(tǒng)的建模與仿真276
8.1.4　電子電路的建模與仿真281
8.2　直流電機雙閉環(huán)拖動系統(tǒng)的建模與仿真285
8.2.1　晶閘管整流系統(tǒng)仿真模型286
8.2.2　電機模型庫及直流電機建模287
8.3　半實物仿真系統(tǒng)及其應用291
8.3.1　半實物仿真概述291
8.3.2　dSPACE簡介294
8.3.3　dSPACE模塊組294
8.3.4　半實物仿真舉例295
8.4　本章要點小結298
8.5　習題299
附錄301
附錄A　積分變換問題及MATLAB直接求解301
A.1　Laplace變換及其反變換301
A.2　Z變換及其反變換302
A.3　Laplace變換和Z變換的計算機求解303
A.4　本附錄要點小結306
A.5　習題306
附錄B　反饋系統(tǒng)分析與設計程序CtrlLAB簡介307
B.1　CtrlLAB的安裝與運行308
B.2　控制系統(tǒng)模型的輸入與處理308
B.3　反饋控制系統(tǒng)的分析309
B.4　反饋控制系統(tǒng)計算機輔助設計310
B.5　本附錄要點小結311
B.6　習題311
參考文獻313