控制系统仿真

第1章 概述1
1.1 仿真的基本概念1
1.1.1 仿真的定义1
1.1.2 物理仿真、半物理仿真和数学仿真1
1.1.3 数学仿真的种类4
1.1.4 实时仿真和非实时仿真4
1.1.5 实物在回路仿真和人在回路仿真4
1.2 数字仿真的基本过程5
1.3 仿真技术的发展与趋势8
1.3.1 仿真技术的发展8
1.3.2 国内外技术现状9
1.3.3 仿真技术的展望 10
1.4 仿真技术的应用11
1.4.1 系统仿真的意义11
1.4.2 仿真技术在各领域的应用11
习题13
第2章 数值积分法仿真连续系统14
2.1 一般概念14
2.1.1 数字仿真的概念14
2.1.2 微分方程与状态方程15
2.1.3 面向系统结构图的仿真模型19
2.2 数值积分法25
2.3 龙格库塔法26
2.4 亚当姆斯法30
2.5 数值积分法中的若干问题32
2.5.1 计算收敛性与稳定性32
2.5.2 计算精度34
2.5.3 积分方法、步长和阶数的选择34
2.5.4 Stiff方程38
2.6 数字仿真程序41
2.6.1 仿真程序的基本结构41
2.6.2 面向结构图和传递函数的仿真程序42
习题46
第3章 连续系统的离散化仿真47
3.1 替换法47
3.1.1 简单替换法48
3.1.2 双线性变换法49
3.2 根匹配法53
3.2.1 根匹配法的步骤54
3.2.2 根匹配法的稳定性和精度57
3.3 离散相似法59
3.3.1 离散相似法的含义和特点59
3.3.2 连续系统状态方程离散化60
3.3.3 典型环节的离散系数及差分方程61
3.3.4 典型非线性环节仿真66
3.3.5 纯滞后环节仿真69
3.4 增广矩阵法72
3.4.1 增广矩阵法的基本思想72
3.4.2 不同输入信号下的增广状态方程72
3.5 数字仿真程序设计76
3.5.1 线性系统的离散相似法仿真程序设计76
3.5.2 非线性系统离散相似法仿真程序设计78
3.6 用z变换法建立系统的差分方程80
3.7 离散模型的精度和稳定性87
3.7.1 采样周期Ts的影响87
3.7.2 保持器的影响89
3.8 采用补偿器提高仿真模型的稳定性和精度91
习题95
第4章 采样控制系统的数字仿真与设计96
4.1 采样控制系统96
4.1.1 采样控制系统的工作特点97
4.1.2 采样周期Ts与计算步长h的关系97
4.2 采样控制系统数字仿真100
4.2.1 只要求采样时刻的输出100
4.2.2 采样控制系统数字仿真应用举例102
4.3 数字控制器控制规律的实现106
4.3.1 PID控制规律107
4.3.2 最少拍控制109
4.4 含PID控制器的实时仿真114
4.4.1 PID控制规律的程序实现114
4.4.2 Windows方式下的实时仿真程序设计115
习题120
第5章 控制系统优化技术122
5.1 控制系统最优化问题概述123
5.1.1 参数最优化123
5.1.2 函数最优化123
5.1.3 参数最优化的解法124
5.2 性能指标125
5.2.1 性能指标的一般概念125
5.2.2 性能指标的分类126
5.2.3 性能指标的选择原则128
5.3 单参数寻优技术128
5.3.1 黄金分割法（又称0.618法）129
5.3.2 二次插值法（又称近似法）131
5.4 无约束条件下多参数寻优技术136
5.4.1 多变量函数的极值条件和间接寻优136
5.4.2 最速下降法137
5.4.3 共轭梯度法141
5.4.4 单纯形加速法145
5.4.5 PID控制参数优化149
习题151
第6章 控制系统MATLAB仿真152
6.1 先进仿真软件MATLAB152
6.2 M文件与MATLAB函数154
6.2.1 脚本（Script）文件155
6.2.2 函数（Function）文件155
6.2.3 MATLAB函数分类156
6.2.4 微分方程初值问题的数值解法157
6.2.5 MATALB的编程实例158
6.3 控制系统MATLAB仿真159
6.3.1 控制系统的数学模型159
6.3.2 控制系统时域性能分析161
6.3.3 控制系统频域性能分析163
6.3.4 控制系统根轨迹分析164
6.4 MATLAB仿真集成环境工具SIMULINK165
6.4.1 SIMULINK仿真工具概述165
6.4.2 SIMULINK仿真的数值分析166
6.4.3 仿真实例167
6.4.4 利用SIMULINK动态结构图的时域响应仿真173
第7章 建模与仿真175
7.1 航空发动机建模与仿真175
7.1.1 航空发动机建模175
7.1.2 发动机控制系统半物理仿真181
7.2 无人机建模与仿真185
7.2.1 无人机数学建模186
7.2.2 无人机飞行控制系统结构和原理191
7.2.3 无人机半物理仿真193
附录199
附录1 四阶龙格库塔法仿真程序一199
附录2 四阶龙格库塔法仿真程序二200
附录3 离散相似法仿真含非线性环节的控制系统203
附录4 采样控制系统的仿真205
附录5 双速率采样控制系统的仿真206
附录6 实时PID控制209
附录7 黄金分割法212
附录8 二次插值法213
附录9 最速下降法214
附录10 共轭梯度法218
附录11 单纯形法PID参数寻优222
参考文献228