控制系统数字仿真与CAD

第3版前言

第一章概述1

第一节控制系统的实验方法1

一、解析法1

二、实验法1

三、仿真实验法2

第二节仿真实验的分类与性能比较2

一、按模型分类3

二、按计算机类型分类4

第三节系统、模型与数字仿真6

一、系统的组成与分类6

二、模型的建立及其重要性7

三、数字仿真的基本内容8

第四节控制系统CAD与数字仿真软件9

一、CAD技术的一般概念9

二、控制系统CAD的主要内容10

三、数字仿真软件10

第五节仿真技术的应用与发展16

一、仿真技术在工程中的应用16

二、应用仿真技术的重要意义17

三、仿真技术的发展趋势18

第六节问题与探究虚拟现实与仿真技术18

一、虚拟现实技术18

二、虚拟现实仿真技术22

三、基于虚拟样机的球棒控制系统仿真25

小结27

习题27

第二章控制系统的数学描述30

第一节控制系统的数学模型30

一、控制系统数学模型的表示形式30

二、数学模型的转换32

三、线性时不变系统的对象数据类型描述34

四、控制系统建模的基本方法35

第二节控制系统建模实例39

一、独轮自行车实物仿真问题39

二、龙门起重机运动控制问题42

三、水箱液位控制问题46

四、燃煤热水锅炉控制问题49

五、三相电压型PWM整流器系统控制问题51

六、磁悬浮轴承运动控制问题56

第三节实现问题61

一、单变量系统的可控标准型实现61

二、控制系统的数字仿真实现63

第四节常微分方程数值解法63

一、数值求解的基本概念64

二、数值积分法65

三、关于数值积分法的几点讨论69

第五节数值算法中的“病态”问题72

一、“病态”常微分方程72

二、控制系统仿真中的“病态”问题74

三、“病态”系统的仿真方法75

第六节数字仿真中的“代数环”问题76

一、问题的提出76

二、“代数环”产生的条件77

三、消除“代数环”的方法78

第七节问题与探究电力电子器件建模问题81

一、问题提出81

二、建模机理81

三、问题探究84

小结85

习题86

第三章控制系统数字仿真的实现88

第一节控制系统的结构及其拓扑描述88

一、控制系统常见的典型结构形式88

二、控制系统的典型环节描述89

三、控制系统的连接矩阵90

第二节面向系统结构图的数字仿真92

一、典型闭环系统的数字仿真92

二、复杂连接的闭环系统数字仿真97

第三节环节的离散化与非线性系统的数字仿真103

一、连续系统的离散化模型法103

二、非线性系统的数字仿真112

第四节计算机控制系统的数字仿真119

一、采样控制系统的数学描述120

二、采样控制系统的仿真方法123

三、采样控制系统仿真程序实现126

第五节问题与探究一类非线性控制系统数字仿真的效率问题132

一、问题提出132

二、问题分析133

三、几点讨论139

小结139

习题140

第四章控制系统CAD142

第一节概述142

第二节经典控制理论CAD143

一、控制系统固有特性分析143

二、控制系统的设计方法146

三、控制系统的优化设计154

第三节基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计159

一、系统模型159

二、模型验证161

三、双闭环PID控制器设计165

四、仿真实验170

五、结论173

第四节现代控制理论CAD173

一、线性二次型最优控制器设计174

二、模型参考自适应控制系统设计182

第五节基于时间最优控制的起重机防摆控制技术研究188

一、问题的提出188

二、时间最优控制189

三、系统建模190

四、模型验证190

五、时间最优控制策略192

六、仿真实验194

七、结论196

第六节问题与探究“球车系统”的建模与控制问题197

一、问题提出197

二、系统建模197

三、问题探究198

小结198

习题199

第五章数字仿真技术的综合应用202

第一节直流电动机双闭环调速系统设计中的若干问题202

一、双闭环V-M调速系统的目的202

二、关于积分调节器的饱和非线性问题203

三、关于ASR与ACR的工程设计问题203

四、双闭环V-M调速系统的动态分析205

第二节数字PID调节器的鲁棒性设计方法207

一、数字PID调节器的鲁棒性设计207

二、“高精度齿轮量仪”位置伺服系统控制器设计209

第三节“水箱系统”液位控制的仿真研究211

一、系统建模211

二、数字仿真211

三、结果分析211

第四节一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制方案212

一、引言212

二、模糊理论中的几个基本概念213

三、一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制214

四、仿真实验216

五、结论223

第五节基于单位功率因数的PWM整流器控制系统设计223

一、引言223

二、滑模变结构控制224

三、系统建模与模型验证225

四、基于滑模变结构控制的PWM整流器控制系统设计226

五、仿真实验230

六、结论234

第六节问题与探究两轮电动车自平衡控制问题234

一、问题提出234

二、系统建模236

三、问题探究237

小结238

习题238

参考文献241

　　本书通过向读者传授仿真技术，使读者清楚：随着新技术的不断发展，将会不断地产生更有效、更实用的“仿真工具”，因此我们应该不断地学习，以使自己能够与时俱进；为读者讲明“仿真技术”中所涉及的基本原理、基本概念与基本方法，因为这些是我们能够有效运用“仿真工具”的理论基础。给读者提出一些生动有趣、启迪思想的工程实际问题，创造一个自由畅想、激发创造的空间，以使大家从中体会到：“仿真技术”是我们学习、科研以及生活中不可缺少的工具。　　本书在概述了仿真技术发展进程的基础上，以MATLAB语言为平台，系统地阐述了数字仿真技术的基本概念、原理与方法，概括了控制系统分析与设计中的基本内容。全书共五章，主要包括：控制系统的实验方法、系统的数学描述与模型的建立、数字仿真的实现方法、控制系统CAD及其综合应用等内容。　　书中涉及运动控制、过程控制、电磁与电力电子控制等系统的建模、分析与设计问题，其内容深入浅出，可读性较强；各章设有“问题与探究”一节，配有练习型、分析/设计型和探究型的习题，有助于激发学生的兴趣，拓展技术领域，以使读者进一步领会与掌握相关领域的内容。　　本书系高等院校自动化专业本科生用教材，也可作为电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等专业“仿真技术”类课程的教学用书。【作者简介】　　张晓华博士男1961年4月生，1979年入哈尔滨工业大学工业自动化专业，1983年本科毕业并留校任教，1989年获该专业硕士学位；1998年获哈工大控制理论与工程专业博士学位；2000年任哈工大电力电子与电力传动学科教授，2003年任该学科博士生导师；1999～2004年任哈工大电气工程系工业自动化教研室主任；现任哈工大电气工程及自动化学院副院长，教育部高等学校电气工程及自动化专业教学指导委员会委员，教育部本科工程教育专业认证电子信息与电气工程类专业认证专家组成员，黑龙江省自动化学会理事，黑龙江省优秀中青年专家。　　编著《系统建模与仿真》一书(“十一五”国家级规划教材，清华大学出版社2006)；完成多项国家“863”计划课题与横向课题，已获国家级科技进步三等奖、部级科技进步二等奖与三等奖各一项；其中，“管内移动机器人技术研究与应用”项目获1999年度国家科技进步成果三等奖；已发表论文70余篇。　　近年来，主要在智能机器人与运动控制、机器视觉与自主控制、电力电子系统建模与非线性控制等方向开展工作。