控制系统的数字仿真及计算机辅助设计(钱积新)(二版)

  控制系统的数字仿真是分析、研究、设计自动控制系统的一种快速和经济的辅助手段，同时它还是控制系统教育和训练的一种有效方法，是从事自动控制研究与工程设计技术人员必须掌握的一门技术。因而在自动控制领域中已得到广泛的重视与应用。
  控制系统仿真，首先是研究如何将由系统建模得到的数学模型离散化，使之成为既适合于计算机计算又有良好计算精度与数值稳定性的仿真模型，简单地说就是模型离散化。其次是解决如何将欲仿真控制系统的拓扑结构、各种参数及初值等输入计算机，最后进行仿真计算，输出所需形式的仿真结果。
  计算机辅助设计技术是一种包含计算机硬件、软件与设计者的人机共存系统，在系统中设计者与计算机相互作用并共同有效地工作，以完成预想的工作。由于这部分的内容十分丰富，类似的出版物也很多，因此本书取材时尽量避免与类似的出版物内容重复且侧重于作者多年来在教学、科研及生产现场使用过的一些方法。例如,第6章计算机辅助建立系统动态模型，为避免与系统辨识等著作重复，这部分内容就没有列入，而着重介绍目前国内外在工业应用中常用的测试方法。第7～9章的一些方法也均被作者使用过，这几章的例子均出自实际应用。为了给出计算机辅助控制系统设计一个较完整的概念，本书第10章介绍了目前国际上较通用的一些CADCS软件，如MATLAB等的功能及特点。
  本书立足于控制系统数字仿真及计算机辅助设计的基础理论与概念，根据应用经验，理论与实际相结合，并注意到知识的完整性与系统性，没有面面俱到地去罗列一些已经广泛见诸于类似著作中的方法。
  为方便教学，本书配套的电子教案可免费提供给采用本书作为教材的相关院校使用。如有需要，请发电子邮件至txh@cipcomcn索取。
  本书第一版中的1～5章、83节由钱积新教授执笔，6～7章、81节、82节、91～93节、95节由王慧教授执笔，94节、96节和第10章由周立芳副教授执笔。第二版则由王慧、周立芳与赵豫红执笔全面修订，加入了许多授课过程中的心得体会。全书由钱积新审定。在本书的编写过程中，我们得到了化学工业出版社及所在单位浙江大学控制科学与工程学系的大力支持，并采用了一些学生的研究成果及作业作为素材，在此一并表示衷心感谢。
  由于编者水平有限，书中不妥之处，敬请读者批评指正。
编者
2009年7月于杭州求是园

  本书的前5章是控制系统数字仿真部分，包括连续系统数学模型表示方法及实现、连续系统的离散化、连续控制系统的仿真、采样控制系统的数字仿真等内容，在取材及编排上根据多年的教学与实践经验做了一定的处理，以期突出基本原理及概念。第6～9章着重介绍作者在应用实践中已经证明是行之有效的方法，内容涵盖计算机辅助建立系统动态模型、基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计、基于时域的线性控制系统计算机辅助设计，其中不但涉及PID控制器、先进控制器的辅助设计与仿真，而且结合了编者在应用中的实例，具有鲜明的理论联系实际特色。第10章从应用角度，进一步介绍了目前国际上较通用的一些CACSD软件及其功能，着重介绍目前应用的主流产品MATLAB。
  本书立足于控制系统数字仿真及计算机辅助设计的基础理论与概念，注重理论与实际应用相结合，在注意到知识的完整性与系统性的同时，没有面面俱到地去罗列一些已经广泛见诸于类似著作中的方法。
  本书既可作为普通高等院校自动化及相关专业相应课程的教材，还可供广大从事自动控制的工程技术人员参考。

1概论1
11仿真技术概述1
111仿真技术简介1
112仿真技术的应用与发展2
12计算机辅助设计控制系统的形成与发展4
习题5
2连续系统数学模型表示方法及实现6
21连续系统的数学模型表示方法6
211连续时间模型6
212离散时间模型7
213连续离散混合模型8
214数学模型之间的转换9
22实现问题12
221可控标准型12
222可观标准型16
223对角标准型18
224若当标准型19
225传递函数中分子分母同阶次时的处理21
226状态初值的通用求解方法25
习题26
3连续系统的离散化27
31引言27
311解析解与数值解27
312常微分方程初值问题和边值问题27
313线性常微分方程组的稳定性28
314病态微分方程组29
315数值解的稳定性30
316数值计算中误差的来源35
32数值分析方法36
321化导数为差商的方法36
322泰勒展式法37
323数值积分法37
33常用的数值积分方法38
331单步法38
332多步法45
333预估校正法46
334数值积分方法的选择48
34离散相似法离散连续系统49
341连续系统状态方程的离散化50
342连续系统传递函数的离散化53
343快速数字仿真算法55
344信号重构56
345保持器的传递函数及其频率特性59
346离散相似模型的校正62
习题64
4连续控制系统的仿真65
41仿真模型的结构65
411面向闭环系统微分方程（或传递函数）的数字仿真65
412面向系统结构图的数字仿真65
42典型环节的离散化系统及其差分方程68
421三阶环节68
422滞后环节69
43控制系统结构图的数值表示方法71
44非线性系统的仿真75
441饱和、分段线性及失灵区非线性特性75
442间隙非线性特性76
443继电及具有死区的继电非线性特性77
444具有滞环的继电非线性特性77
445具有死区和滞环的继电非线性特性79
45关于仿真误差及数值稳定性问题80
451截断误差80
452舍入误差80
习题81
5采样控制系统的数字仿真83
51计算机控制系统的仿真83
52数字控制器的仿真84
习题85
6计算机辅助建立系统动态模型86
61用经典时域辨识法建立对象动态数学模型86
611阶跃响应与方波响应86
612低阶传递函数模型的建立89
613从响应曲线求对象的微分方程模型95
62用频域法辨识系统模型102
621由系统脉冲过渡函数g(t)计算频率特性102
622由系统的频率特性拟合传递函数104
63用相关分析法辨识系统脉冲响应函数111
631相关分析法的理论基础112
632相关函数的实验求取方法113
633用白噪声测定系统的脉冲响应113
634用伪随机信号辨识脉冲响应函数114
习题119
7基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计120
71单变量系统的稳定性分析120
711劳斯判据120
712霍尔维茨稳定判据122
72传递函数的频率特性计算123
721因式分解形式的传递函数频率特性计算123
722直接计算多项式表示的传递函数频率特性125
723系统的稳定裕度126
73基于频域法的单变量控制系统计算机辅助设计127
731基于频域法的串联校正原理128
732校正装置传递函数的计算129
74多变量系统设计的现代频域方法简介137
741概述137
742基本概念137
743现代频域方法简介140
习题143
8PID控制器的计算机仿真与辅助设计144
81PID控制器144
811标准PID控制算法144
812标准PID控制算法的改进145
813连续系统PID控制器仿真及设计147
814数字PID控制器仿真及设计150
82PID控制器的参数自动整定151
821PID控制器的参数整定与自动整定151
822基于继电反馈控制的PID控制器参数自动整定152
823示例153
83鲁棒PID控制器参数整定155
831鲁棒PID控制器参数整定思想155
832鲁棒PID控制器参数整定算法156
833鲁棒PID控制器示例157
习题159
9基于时域的线性控制系统计算机辅助设计160
91状态反馈和极点配置160
911系统的状态能控性和状态能观性160
912状态反馈和输出反馈161
913单输入系统的极点配置161
914多输入系统的极点配置166
92具有线性二次型性能指标的最优控制系统166
921概述166
922状态调节器168
923最优线性输出调节器问题170
924具有期望衰减度的线性二次型调节器172
93鲁棒控制器175
931概述175
932鲁棒控制器的定义176
933鲁棒控制器的存在条件176
934鲁棒控制器的结构177
935鲁棒控制器的性质178
94模型预测控制器179
941预测控制基本原理179
942预测控制算法介绍180
943参数选择183
944多变量DMC算法186
95计算机辅助设计控制系统的工程应用实例之一187
951造纸生产过程简介187
952计算机辅助建立纸机模型188
953控制系统计算机辅助设计189
954控制系统实施193
96计算机辅助设计控制系统的工程应用实例之二194
961常压塔控制回路工艺194
962常压塔先进控制系统总体结构195
963常压塔多变量预测控制器设计195
964控制系统计算机辅助设计197
965控制系统实施197
习题199
10计算机控制系统设计与仿真软件200
101CACSD简介200
1011CACSD软件形成的历史背景200
1012CACSD的主要内容及特点201
1013CACSD软件国内外发展概况202
102MATLAB控制系统设计204
1021MATLAB控制功能介绍205
1022基于SIMULINK的控制系统设计208
1023MATLAB在倒摆系统设计中的应用212
1024MATLAB类软件介绍216
103SLICOT软件223
1031SLICOT功能介绍223
1032算法改进224
1033性能比较224
104采样控制系统软件DirectSD226
1041理论基础226
1042系统描述227
1043最优随机控制227
1044最优跟踪系统的设计229
1045最优稳定系统设计举例229
105CACSD的技术现状和展望231
习题232
参考文献233