计算机仿真技术

第1章 绪论 1

1.1 系统仿真的基本概念 1

1.2 连续系统仿真技术 3

1.3 离散事件系统仿真技术 6

1.3.1 离散事件系统的数学模型 7

1.3.2 离散事件系统的仿真方法 9

1.3.3 离散事件系统仿真语言 10

1.4 仿真技术的应用 12

1.4.1 系统仿真技术在系统分析、综合方面的应用 12

1.4.2 系统仿真技术在仿真器方面的应用 13

1.4.3 系统仿真技术在技术咨询和预测方面的应用 13

1.5 仿真技术的现状与发展 14

1.5.1 仿真计算机的现状及发展 14

1.5.2 计算机软件的现状及发展 14

1.5.3 仿真器的现状与开发 15

本章小结 15

习题 15

第2章 系统数学模型及其相互转换 16

2.1 系统的数学模型 16

2.1.1 连续系统的数学模型 16

2.1.2 离散时间模型 20

2.1.3 Matlab语言中的模型表示 22

2.1.4 不确定模型 23

2.2 实现问题 26

2.3 从系统结构图向状态方程的转换 30

2.3.1 系统模拟结构图转换为状态方程 30

2.3.2 系统动态结构图转换为状态方程 32

2.3.3 利用Matlab语言对控制系统的结构图进行描述和转换 36

2.4 连续系统的离散化方程 38

2.4.1 状态方程的离散化 38

2.4.2 传递函数的离散化 40

2.4.3 利用Matlab语言进行离散化处理 42

本章小结 43

习题 43

第3章 数值积分法在系统

仿真中的应用 45

3.1 在系统仿真中常用的数值积分法 45

3.1.1 欧拉法和改进的欧拉法 45

3.1.2 龙格-库塔法 47

3.1.3 线性多步法 50

3.1.4 Matlab语言中的常微分方程

求解指令和使用方法 54

3.2 刚性系统的特点及算法 56

3.3 实时仿真算法 58

3.4 分布参数系统的数字仿真 60

3.4.1 模型形式和性质 60

3.4.2 差分解法 61

3.4.3 线上求解法 64

3.4.4 Matlab语言在偏微分方程解法中的应用 65

3.5 面向微分方程的仿真程序设计 71

本章小结 73

习题 73

第4章 面向结构图的数字仿真法 75

4.1 典型环节仿真模型的确定 75

4.2 结构图离散相似法仿真 77

4.3 非线性系统的数字仿真 81

4.4 连续系统的结构图仿真及程序 85

4.4.1 CSSF程序包简单介绍 85

4.4.2 Micro-CSS仿真程序 86

4.4.3 MCSS仿真程序的使用方法 86

4.4.4 MCSS仿真程序分析 90

4.4.5 代数环问题 94

本章小结 95

习题 96

第5章 快速数字仿真法 101

5.1 增广矩阵法 101

5.2 替换法 103

5.2.1 简单替换法 103

5.2.2 双线性变换 106

5.2.3 状态方程的双线性变换 108

5.3 零极点匹配法 110

5.4 计算机控制系统仿真 112

本章小结 119

习题 119

第6章 控制系统参数优化及仿真 121

6.1 参数优化与函数优化 121

6.2 单变量寻优技术 123

6.2.1 黄金分割法（0.618法） 123

6.2.2 二次插值法 126

6.3 多变量寻优技术 130

6.3.1 最速下降法 130

6.3.2 共轭梯度法 135

6.3.3 单纯形法 143

6.4 随机寻优法 145

6.5 寻优过程对限制条件的处理 150

6.6 函数寻优 151

6.7 Matlab优化工具箱 154

6.7.1 Matlab优化工具箱概述 154

6.7.2 Matlab优化工具箱使用例子 155

本章小结 159

习题 159

第7章 Simulink建模和仿真 160

7.1 Simulink的概述和基本操作 160

7.1.1 Simulink的概述 160

7.1.2 基本操作 161

7.2 基本模块 162

7.3 建模方法 168

7.3.1 模块的操作 169

7.3.2 模块的连接 172

7.4 系统仿真举例 174

7.4.1 非线性系统的模拟 175

7.4.2 混合系统PID控制器仿真 177

7.5 子系统和子系统的封装 179

7.5.1 Simulink子系统 179

7.5.2 子系统的封装 184

7.6 回调 186

7.6.1 回调函数的介绍 187

7.6.2 基于回调的图形用户界面 187

7.7 S函数 189

7.7.1 S函数模块 189

7.7.2 S函数的工作原理 190

7.7.3 S函数中的几个概念 190

7.7.4 S函数动画 192

本章小结 197

习题 197

第8章 现代仿真技术 199

8.1 面向对象仿真技术 199

8.1.1 面向对象的概念和特点 199

8.1.2 UML统一建模语言 200

8.1.3 面向对象的建模与仿真 203

8.1.4 面向对象仿真举例 206

8.2 分布交互仿真技术 210

8.2.1 分布交互仿真的发展历程 210

8.2.2 分布交互仿真技术的特点和关键技术 212

8.2.3 DIS系统的体系结构和标准 214

8.2.4 高层体系结构（HLA） 216

8.3 虚拟现实技术 218

8.3.1 虚拟现实技术的基本概念 218

8.3.2 分布式虚拟现实系统 220

8.3.3 虚拟现实技术的应用 221

8.4 建模与仿真的VV&A技术 223

8.4.1 概述 223

8.4.2 VV&A技术与方法 224

8.4.3 VV&A的过程及基本原则 230

本章小结 233

习题 233

第9章 仿真应用技术 234

9.1 仿真语言及其发展 234

9.1.1 连续系统的数字仿真 234

9.1.2 仿真语言的功能 235

9.1.3 对仿真语言的主要要求 235

9.1.4 仿真语言的一般结构和组织 236

9.2 快速控制原型 238

9.2.1 快速原型制造技术 239

9.2.2 快速控制原型技术 240

9.2.3 快速控制原型开发原理 241

9.2.4 RCP系统研究方法和关键技术 242

9.2.5 硬件在回路仿真 244

9.3 Matalb/RTW实时仿真工具箱 246

9.3.1 Real-Time Workshop简介 246

9.3.2 RTW程序创建过程和代码结构 250

9.3.3 RTW嵌入式代码在VxWorks/ Tornado 环境下实现过程 255

9.3.4 水下航行器深度控制系统仿真 258

9.4 人工智能与仿真技术 259

9.4.1 概述 259

9.4.2 人工智能在仿真技术中的主要应用 260

9.4.3 仿真专家系统 261

9.4.4 智能化仿真的研究与探索 262

9.5 数学模型和建模方法学 263

9.5.1 数学模型的作用和目标 263

9.5.2 数学模型的性质和假设 264

9.5.3 建模方法学 267

9.5.4 结论 269

9.6 仿真实验的计划制定和实施 269

9.6.1 问题的阐述和计划的制定 270

9.6.2 仿真实验准备阶段 271

9.6.3 仿真实验与结果处理 271

附录 273

实验一 面向微分方程的数字仿真 273

实验二 连续系统的离散化仿真 274

实验三 面向结构图仿真 275

实验四 单纯型法参数寻优 275

实验五 PID调节器参数最优化仿真 276

参考文献 278

本书对系统仿真理论、技术以及仿真方法学、仿真软件和应用作了详细的讲述。主要内容有：系统仿真的基本概念、系统数学模型及其相互转换、数值积分法在系统仿真中的应用、面向微分方程的仿真程序设计、面向结构图的数字仿真法、快速数字仿真法、控制系统参数优化及仿真、SimuLink建模和仿真、现代仿真技术、快速控制原型、硬件在回路仿真和仿真应用技术等。
　　本书可以作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、机械设计制造及其自动化及相关专业的本科生和研究生的教材，也可供从事系统控制、系统仿真的科研人员和工程师参考。