控制系統(tǒng)仿真

第1章 概述1
1.1 仿真的基本概念1
1.1.1 仿真的定義1
1.1.2 物理仿真、半物理仿真和數(shù)學(xué)仿真1
1.1.3 數(shù)學(xué)仿真的種類4
1.1.4 實時仿真和非實時仿真4
1.1.5 實物在回路仿真和人在回路仿真4
1.2 數(shù)字仿真的基本過程5
1.3 仿真技術(shù)的發(fā)展與趨勢8
1.3.1 仿真技術(shù)的發(fā)展8
1.3.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀9
1.3.3 仿真技術(shù)的展望 10
1.4 仿真技術(shù)的應(yīng)用11
1.4.1 系統(tǒng)仿真的意義11
1.4.2 仿真技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用11
習(xí)題13
第2章 數(shù)值積分法仿真連續(xù)系統(tǒng)14
2.1 一般概念14
2.1.1 數(shù)字仿真的概念14
2.1.2 微分方程與狀態(tài)方程15
2.1.3 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的仿真模型19
2.2 數(shù)值積分法25
2.3 龍格庫塔法26
2.4 亞當(dāng)姆斯法30
2.5 數(shù)值積分法中的若干問題32
2.5.1 計算收斂性與穩(wěn)定性32
2.5.2 計算精度34
2.5.3 積分方法、步長和階數(shù)的選擇34
2.5.4 Stiff方程38
2.6 數(shù)字仿真程序41
2.6.1 仿真程序的基本結(jié)構(gòu)41
2.6.2 面向結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)的仿真程序42
習(xí)題46
第3章 連續(xù)系統(tǒng)的離散化仿真47
3.1 替換法47
3.1.1 簡單替換法48
3.1.2 雙線性變換法49
3.2 根匹配法53
3.2.1 根匹配法的步驟54
3.2.2 根匹配法的穩(wěn)定性和精度57
3.3 離散相似法59
3.3.1 離散相似法的含義和特點59
3.3.2 連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程離散化60
3.3.3 典型環(huán)節(jié)的離散系數(shù)及差分方程61
3.3.4 典型非線性環(huán)節(jié)仿真66
3.3.5 純滯后環(huán)節(jié)仿真69
3.4 增廣矩陣法72
3.4.1 增廣矩陣法的基本思想72
3.4.2 不同輸入信號下的增廣狀態(tài)方程72
3.5 數(shù)字仿真程序設(shè)計76
3.5.1 線性系統(tǒng)的離散相似法仿真程序設(shè)計76
3.5.2 非線性系統(tǒng)離散相似法仿真程序設(shè)計78
3.6 用z變換法建立系統(tǒng)的差分方程80
3.7 離散模型的精度和穩(wěn)定性87
3.7.1 采樣周期Ts的影響87
3.7.2 保持器的影響89
3.8 采用補償器提高仿真模型的穩(wěn)定性和精度91
習(xí)題95
第4章 采樣控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真與設(shè)計96
4.1 采樣控制系統(tǒng)96
4.1.1 采樣控制系統(tǒng)的工作特點97
4.1.2 采樣周期Ts與計算步長h的關(guān)系97
4.2 采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真100
4.2.1 只要求采樣時刻的輸出100
4.2.2 采樣控制系統(tǒng)數(shù)字仿真應(yīng)用舉例102
4.3 數(shù)字控制器控制規(guī)律的實現(xiàn)106
4.3.1 PID控制規(guī)律107
4.3.2 最少拍控制109
4.4 含PID控制器的實時仿真114
4.4.1 PID控制規(guī)律的程序?qū)崿F(xiàn)114
4.4.2 Windows方式下的實時仿真程序設(shè)計115
習(xí)題120
第5章 控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)122
5.1 控制系統(tǒng)最優(yōu)化問題概述123
5.1.1 參數(shù)最優(yōu)化123
5.1.2 函數(shù)最優(yōu)化123
5.1.3 參數(shù)最優(yōu)化的解法124
5.2 性能指標(biāo)125
5.2.1 性能指標(biāo)的一般概念125
5.2.2 性能指標(biāo)的分類126
5.2.3 性能指標(biāo)的選擇原則128
5.3 單參數(shù)尋優(yōu)技術(shù)128
5.3.1 黃金分割法（又稱0.618法）129
5.3.2 二次插值法（又稱近似法）131
5.4 無約束條件下多參數(shù)尋優(yōu)技術(shù)136
5.4.1 多變量函數(shù)的極值條件和間接尋優(yōu)136
5.4.2 最速下降法137
5.4.3 共軛梯度法141
5.4.4 單純形加速法145
5.4.5 PID控制參數(shù)優(yōu)化149
習(xí)題151
第6章 控制系統(tǒng)MATLAB仿真152
6.1 先進仿真軟件MATLAB152
6.2 M文件與MATLAB函數(shù)154
6.2.1 腳本（Script）文件155
6.2.2 函數(shù)（Function）文件155
6.2.3 MATLAB函數(shù)分類156
6.2.4 微分方程初值問題的數(shù)值解法157
6.2.5 MATALB的編程實例158
6.3 控制系統(tǒng)MATLAB仿真159
6.3.1 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型159
6.3.2 控制系統(tǒng)時域性能分析161
6.3.3 控制系統(tǒng)頻域性能分析163
6.3.4 控制系統(tǒng)根軌跡分析164
6.4 MATLAB仿真集成環(huán)境工具SIMULINK165
6.4.1 SIMULINK仿真工具概述165
6.4.2 SIMULINK仿真的數(shù)值分析166
6.4.3 仿真實例167
6.4.4 利用SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的時域響應(yīng)仿真173
第7章 建模與仿真175
7.1 航空發(fā)動機建模與仿真175
7.1.1 航空發(fā)動機建模175
7.1.2 發(fā)動機控制系統(tǒng)半物理仿真181
7.2 無人機建模與仿真185
7.2.1 無人機數(shù)學(xué)建模186
7.2.2 無人機飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理191
7.2.3 無人機半物理仿真193
附錄199
附錄1 四階龍格庫塔法仿真程序一199
附錄2 四階龍格庫塔法仿真程序二200
附錄3 離散相似法仿真含非線性環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)203
附錄4 采樣控制系統(tǒng)的仿真205
附錄5 雙速率采樣控制系統(tǒng)的仿真206
附錄6 實時PID控制209
附錄7 黃金分割法212
附錄8 二次插值法213
附錄9 最速下降法214
附錄10 共軛梯度法218
附錄11 單純形法PID參數(shù)尋優(yōu)222
參考文獻228