计算机控制及系统仿真

适读人群 ：电气工程及其自动化专业、自动化专业及测控技术与仪器专业学生

配套资源：电子教案

本书特色：

★ 在讲述典型知识的基础上侧重实际应用，强调了专业知识与工程实践相结合，注重专业技术与实践技能的培养。

★ 书中配备的MATLAB/Simulink仿真程序使学生能够上机进行操作，理论联系实际，使学生学以致用。

《计算机控制及系统仿真》从应用的角度出发，系统介绍了计算机控制及系统仿真的知识。全书共10章，主要分为3个部分。
一部分是基础内容学习，包括计算机控制及仿真概述；线性连续系统的数学模型及其相互转换；状态空间描述及模型间的相互转换；线性离散系统的数学描述等内容。
二部分以控制系统的经典控制、复杂控制、现代控制和仿真算法为重点，主要涵盖了控制系统的数学模型及线性离散系统的数学描述；PID控制算法等经典控制算法；少拍控制算法等复杂控制算法；基于状态空间的输出反馈法等现代控制算法；数值积分法等系统仿真算法以及控制系统的数据处理技术。
三部分以控制系统的MATLAB/Simulink仿真及MATLAB/Simulink仿真与建模在实际中的应用为重点，并通过两个具体的实例——飞机偏航阻尼器设计和飞行器控制系统设计来学习MATLAB/Simulink仿真。
本书内容丰富，融入了作者多年的教学和科研实践经验及体会，在讲述典型知识的基础上侧重实际应用，内容讲解深入浅出，相关知识层次清晰，体现出模块化处理的特点，强调了专业知识与工程实践相结合，注重专业技术与实践技能的培养。本书可作为高等院校电气工程及其自动化专业、自动化专业及测控技术与仪器专业学生学习计算机控制及系统仿真的教材，也可供从事相关领域的工程技术人员学习和参考。

前言
第1章计算机控制及仿真概述
1.1自动控制的基本知识
1.1.1控制理论的发展
1.1.2自动控制的概念及其应用
1.1.3控制的基本方式
1.1.4对控制系统的性能要求
1.2自动控制系统的组成及分类
1.2.1控制系统的组成
1.2.2自动控制系统的分类
1.3系统仿真的基本知识
1.3.1仿真的概念和仿真过程
1.3.2系统仿真的分类
1.4计算机仿真的特点及其应用
1.4.1计算机仿真的特点
1.4.2计算机仿真技术的应用
1.5MATLAB相关简介
1.5.1MATLAB 的产生与发展
1.5.2MATLAB的主要功能
1.5.3MATLAB的基本应用
1.6Simulink简介
1.6.1Simulink概述
1.6.2Simulink的启动及界面
1.6.3Simulink的模块库
1.7Simulink基本操作
1.7.1模型窗口
1.7.2模块的操作处理
1.7.3模块的连接
1.7.4系统模型图的创建
1.7.5自定义模块库和子系统
1.8利用MATLAB对汽车控制系统的仿真实例
1.8.1问题的描述
1.8.2系统的模型表示
1.8.3利用MATLAB对汽车控制系统的设计
1.8.4利用Simulink对汽车控制系统的设计
本章小结
习题
第2章线性连续系统的数学模型及其相互转换
2.1微分方程
2.1.1微分方程的建立
2.1.2非线性系统微分方程的线性化
2.2传递函数
2.2.1拉普拉斯变换
2.2.2系统的传递函数
2.2.3自动控制系统的传递函数
2.2.4MATLAB语言中的传递函数表示
2.3系统的功能图
2.3.1功能图的组成和绘制
2.3.2功能图的等效变换
2.3.3利用MATLAB对控制系统的功能图进行描述和转换
2.4状态空间描述
2.4.1状态空间概念
2.4.2状态空间表达式
2.4.3MATLAB语言中的状态空间模型表示
2.5数学模型的相互转换
2.5.1微分方程和状态空间表达式之间的转换
2.5.2传递函数和状态空间表达式之间的转换
2.5.3利用MATLAB对数学模型进行相互转换
本章小结
习题
第3章线性离散系统的数学描述
3.1线性离散系统概述
3.2离散系统的时域描述——差分方程
3.2.1差分方程
3.2.2差分方程的求解
3.3z变换
3.3.1z变换的定义
3.3.2z变换的求解方法
3.3.3z变换的基本性质
3.3.4z反变换
3.3.5用z变换求解差分方程
3.4脉冲传递函数
3.4.1脉冲传递函数的定义
3.4.2开环系统的脉冲传递函数
3.4.3闭环系统的脉冲传递函数
3.5离散状态空间表达式
3.5.1差分方程的输入不包含差分项
3.5.2差分方程的输入包含差分项
3.6离散动态系统的MATLAB仿真
本章小结
习题
第4章计算机控制系统的经典设计方法
4.1概述
4.2数字PID控制器设计
4.2.1模拟PID控制器
4.2.2数字PID控制器
4.2.3数字PID控制算法实现方式比较
4.2.4数字PID控制算法流程
4.3数字PID算法的改进
4.3.1积分项的改进
4.3.2微分项的改进
4.3.3时间最优PID控制
4.3.4带死区的PID控制算法
4.4PID参数的整定
4.4.1采样周期的选择
4.4.2按简易工程法整定PID参数
4.4.3优选法
4.4.4凑试法确定PID参数
4.4.5PID控制参数的自整定法
4.5利用MATLAB设计PID控制器
本章小结
习题
第5章计算机控制系统的复杂控制规律设计
5.1最少拍控制器的设计
5.1.1数字控制器的离散化设计步骤
5.1.2最少拍控制系统D(z)的设计
5.1.3典型输入下的最少拍控制系统分析
5.1.4最少拍控制器设计的限制条件
5.2纯滞后控制技术
5.2.1大林算法的基本形式
5.2.2振铃现象及其消除方法
5.2.3Smith预估控制
5.3串级控制技术
5.3.1串级控制的结构和原理
5.3.2数字串级控制算法
5.4利用MATLAB设计最少拍系统
本章小结
习题
第6章计算机控制系统的现代控制技术
6.1采用状态空间的输出反馈设计法
6.1.1连续状态方程的离散化
6.1.2最少拍无纹波系统的跟踪条件
6.1.3输出反馈设计法的设计步骤
6.2采用状态空间的极点配置设计法
6.2.1按极点配置设计控制规律
6.2.2按极点配置设计状态观测器
6.2.3按极点配置设计控制器
6.3采用状态空间的最优化设计法
6.3.1LQ最优控制器设计
6.3.2LQG最优控制器
6.4利用MATLAB设计现代控制系统
6.4.1极点配置设计的MATLAB实现
6.4.2LQ最优控制器的MATLAB实现
本章小结
习题
第7章控制系统的仿真原理及算法
7.1数值积分法
7.1.1欧拉（Euler）法
7.1.2梯形法
7.1.3龙格-库塔(Runge-Kutta)法
7.1.4数值积分公式的应用
7.1.5仿真精度与系统稳定性
7.2快速仿真算法
7.2.1时域矩阵法
7.2.2增广矩阵法
7.2.3替换法
7.2.4根匹配法
7.3离散相似法
7.3.1仿真算法描述
7.3.2典型环节的离散模型
7.4线性系统仿真
7.4.1线性系统的数值积分法仿真
7.4.2线性系统的离散相似法仿真
7.5非线性系统仿真
7.5.1典型非线性特性
7.5.2非线性系统的仿真过程及应用
7.6采样系统仿真
7.6.1采样控制系统的算法描述
7.6.2采样周期与仿真步距的关系
7.6.3采样系统的仿真应用
本章小结
习题
第8章控制系统的数据处理技术
8.1数字滤波
8.1.1平均值滤波
8.1.2中值滤波
8.1.3RC低通数字滤波
8.1.4复合数字滤波
8.1.5各种数字滤波性能的比较
8.2标度变换
8.2.1线性参数标度变换
8.2.2非线性参数标度变换
8.3插值算法
8.3.1线性插值法
8.3.2分段插值算法
8.3.3数据插值的MATLAB实现
8.4越限报警处理
本章小结

随着高校的发展和教学改革的不断完善，高校逐渐被划分为理论研究型和应用技术型两种教学模式，本书主要适用于应用技术型高校的电气工程及其自动化专业、自动化专业及测控技术与仪器专业的教学，针对这类学校学生的基础和实际情况，在对学生的培养中，逐步突出对学生动手、实践能力的培养，从而培养学生形成“崇尚一技之长、不唯学历凭能力”的学习氛围，即培养学生向应用技术型转型发展。本书在讲授计算机控制技术算法的同时，也通过系统仿真进行了实现，并结合了实际系统的相关示例，将复杂的理论与仿真有机地结合在一起，通过配备的相关仿真程序使学生能够上机进行操作，理论联系实际，使学生学以致用，对所学知识有更加直观和深刻的印象，便于知识点的理解和进一步掌握，也为各个高校逐步向应用技术型大学的发展增添一份力量。
本书共10章，可分为3个部分。第一部分是基础内容学习，包括计算机控制及仿真概述，主要涵盖了控制理论的基础知识以及MATLAB/Simulink基本功能介绍；线性连续系统的数学模型及其相互转换，主要涵盖了微分方程、传递函数、功能图、状态空间描述及模型间的相互转换；线性离散系统的数学描述，主要涵盖了差分方程、z变换、脉冲传递函数及离散状态空间表达式等内容。
第二部分以控制系统的经典控制、复杂控制、现代控制和仿真算法为重点，主要涵盖了控制系统的数学模型及线性离散系统的数学描述；PID控制算法等经典控制算法；最少拍控制算法等复杂控制算法；基于状态空间的输出反馈法等现代控制算法；数值积分法等系统仿真算法以及控制系统的数据处理技术等。
第三部分以控制系统的MATLAB/Simulink仿真及MATLAB/Simulink仿真与建模在实际中的应用为重点，主要涵盖了Simulink仿真的参数设置、利用Simulink系统仿真模型的仿真处理、Simulink动态结构图模型的仿真处理，并通过两个具体的实例——飞机偏航阻尼器设计和飞行器控制系统设计来学习MATLAB/Simulink仿真。
本书章节安排合理，注重从基础着手，深入浅出，循序渐进，将计算机控制技术、控制算法和系统仿真有机地融合到一起。章节的安排采用分块的模块化结构处理方式，数学模型的介绍是一块，系统的算法和设计是一块，MATLAB及Simulink仿真是一块。这种设计方式能使读者学习思路清晰，一目了然。
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请读者对本书提出批评与指正，以便进一步修订与完善。