控制系统数字仿真与CAD第4版

序
前言
第一章概述
第一节控制系统的实验方法
一、解析法
二、实验法
三、仿真实验法
第二节仿真实验的分类与性能比较
一、按模型分类
二、按计算机类型分类
第三节系统、模型与数字仿真
一、系统的组成与分类
二、模型的建立及其重要性
三、数字仿真的基本内容
第四节控制系统CAD与数字仿真软件
一、CAD技术的一般概念
二、控制系统CAD的主要内容
三、数字仿真软件
第五节仿真技术的应用与发展
一、仿真技术在工程中的应用
二、应用仿真技术的重要意义
三、仿真技术的发展趋势
第六节问题与探究——虚拟现实与仿真
技术
一、虚拟现实技术
二、虚拟现实仿真技术
三、基于虚拟样机的球棒控制系统
仿真
小结
习题
第二章控制系统的数学描述
第一节控制系统的数学模型
一、控制系统数学模型的表示形式
二、 数学模型的转换
三、线性时不变系统的对象数据类型
描述
四、控制系统建模的基本方法
第二节控制系统建模实例
一、 独轮自行车实物仿真问题
二、 龙门起重机运动控制问题
三、 水箱液位控制问题
四、燃煤热水锅炉控制问题
五、三相电压型PWM整流器系统控制
问题
六、磁悬浮轴承运动控制问题
第三节实现问题
一、单变量系统的可控标准型实现
二、控制系统的数字仿真实现
第四节常微分方程的数值解法
一、数值求解的基本概念
二、数值积分法
三、关于数值积分法的几点讨论
第五节数值算法中的“病态”问题
一、“病态”常微分方程
二、控制系统仿真中的“病态”问题
三、“病态”系统的仿真方法
第六节数字仿真中的“代数环”问题
一、问题的提出
二、“代数环”产生的条件
三、消除“代数环”的方法
第七节问题与探究——电力电子器件建模
问题
一、问题提出
二、建模机理
三、问题探究
小结
习题
第三章控制系统的数字仿真
第一节直流电动机与驱动电源的数学
模型
一、额定励磁下直流电动机的数学模型
二、驱动电源的数学模型
第二节直流电动机的转速/电流双闭环PID
控制方案
一、双闭环VM调速系统的目的
二、关于积分调节器的饱和非线性问题
三、关于ASR与ACR的工程设计问题
四、直流电动机转速/电流双闭环控制
系统的动态结构图
五、控制系统的数字仿真实验
第三节基于晶闸管整流器的直流电动机
驱动控制系统仿真
一、基于晶闸管整流器的直流电动机
驱动控制方案
二、基于SimPowerSystems工具箱的
控制系统数字仿真
三、数字仿真总结
第四节基于PWM变换器的直流电动机
驱动控制系统仿真
一、基于PWM变换器的直流电动机
驱动控制方案
二、基于SimPowerSystems工具箱的
控制系统数字仿真
三、数字仿真总结
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
一、问题提出
二、问题分析
三、几点讨论
小结
习题
控制系统数字仿真与CAD第4版目录第四章控制系统CAD
第一节概述
第二节经典控制理论CAD
一、控制系统固有特性分析
二、控制系统的设计方法
三、控制系统的优化设计
第三节基于双闭环PID控制的一阶
倒立摆控制系统设计
一、系统模型
二、模型验证
三、双闭环PID控制器设计
四、仿真实验
五、结论
第四节现代控制理论CAD
一、线性二次型最优控制器设计
二、模型参考自适应控制系统设计
第五节基于时间最优控制的起重机
防摆控制技术研究
一、 问题的提出
二、 时间最优控制
三、系统建模
四、模型验证
五、时间最优控制策略
六、 仿真实验
七、 结论
第六节电力电子系统CAD
一、引言
二、二极管整流器
三、晶闸管整流器
四、PWM整流器
五、降压型DC/DC变换器
六、升压型DC/DC变换器
七、升降压型DC/DC变换器
八、结论
第七节基于经典频域法的DC/DC变换器
控制系统设计
一、引言
二、DC/DC变换器的数学建模
三、DC/DC变换器的控制系统设计
四、仿真实验
五、结论
第八节问题与探究——“球车系统”的
建模与控制问题
一、问题提出
二、系统建模
三、问题探究
小结
习题
第五章数字仿真技术的综合应用
第一节数字PID调节器的鲁棒性设计
方法
一、数字PID调节器的鲁棒性设计
二、“高精度齿轮量仪”位置伺服
系统控制器设计
第二节“水箱系统”液位控制的仿真
研究
一、系统建模
二、数字仿真
三、结果分析
第三节一阶倒立摆系统的双闭环模糊
控制方案
一、引言
二、模糊理论中的几个基本概念
三、一阶倒立摆系统的双闭环模糊
控制
四、仿真实验
五、结论
第四节三相电压型PWM整流器的单位
功率因数控制系统设计
一、引言
二、滑模变结构控制
三、系统建模与模型验证
四、基于滑模变结构控制的PWM
整流器控制系统设计
五、仿真实验
六、结论
第五节基于矢量控制的感应电动机变频
调速系统设计
一、问题提出
二、系统建模
三、感应电动机的矢量控制系统设计
四、结论
第六节基于效率最优的永磁同步电动机
驱动控制系统设计
一、问题提出
二、系统建模
三、基于最大转矩电流比的永磁同步
电动机驱动控制
四、结论
第七节问题与探究——两轮电动车
自平衡控制问题
一、问题提出

前言
一、 关于本书
1997年5月，针对“数字仿真与CAD技术”的广泛应用与发展趋势，为满足本科生教学工作的需要，全国高等学校工业自动化专业教学指导委员会决定组织编写“控制系统数字仿真与CAD”课程的本科生教材，并将其列为“九五”规划教材；1999年，《控制系统数字仿真与CAD》（第1版）由机械工业出版社出版，并于2005年（第2版）、2009年（第3版）进行了两次修订。
《控制系统数字仿真与CAD》一书出版20余年来，作为国内较早地将MATLAB语言融入数字仿真类课程的本科生教材，广泛地被读者评价为“综合应用专业课程密切、可读性强、案例式教学内容丰富、多媒体课件资料配备齐全”，先后被国内百余所院校选作仿真类课程的教材。
随着我国高等工程教育事业的发展，针对培养学生“分析与解决复杂工程问题能力”的需要，在自动化、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等本科专业相继开设了“数字仿真与CAD”类课程。其作为综合应用“数学建模、数值计算、自动控制原理、电力电子技术、运动控制系统”等知识的仿真技术类专业课程，理应在培养学生“综合应用专业知识、使用现代工具、独立思考与解决复杂工程问题、创新意识”等方面发挥更大的作用。
二、 仿真技术类课程教学所面临的问题
1 仿真类课程的必要性
众所周知，仿真技术推动了几乎所有设计领域的革命，被誉为“20世纪下半叶的十大工程技术成就之一”，使用现代仿真工具已成为工程技术人员应掌握的基本技能之一；同时，作为支撑培养学生“分析与解决复杂工程问题能力”的专业课程，编者认为：在电气类、自动化类专业的课程体系设计上，仿真类课程应有“必修课”。
2 现代仿真工具与教学模式的与时俱进
随着仿真技术的不断进步与广泛应用，基于现代仿真工具的“虚拟现实仿真技术、半实物实时仿真技术”已成为产品开发与技术创新的利器；同时，对于高等工程教育的电气类、自动化类专业，仿真技术类课程的教学如果仅停留在“算法语言学习、工具软件使用、验证性仿真实验”的层面上，远未满足社会与产业对“工程技术创新型人才培养”的需求。
因此，作为支撑培养学生“分析与解决复杂工程问题能力”的仿真技术类专业课程，需从传统“被动学习、原理验证、脱离实际”的知识学习型教学模式，转到引领学生“主动思考、知识拓展、解决问题”的问题导向型教学模式上来。
3 能力培养与思维方式的塑造
作为一类建立在若干先修课程与基础知识之上的应用型专业课程，仿真技术类课程的“课程目标”应该在培养学生“掌握利器、综合应用、解决问题”的基础上，拓展到引领学生“提高兴趣、引发思考、提出问题”的创新思维上来，为培养学生具有“独立思考的批判性思维”提供一个自由畅想与驰骋的实践平台。
三、 关于本书的修订
本书在第3版的基础上，主要有如下内容变动：
1在第三章（控制系统的数字仿真）中，内容整体改写为“基于MATLAB/SimPowerSystems工具箱的直流电动机转速/电流双闭环控制系统建模、仿真与设计”，针对采用晶闸管整流器（半控型器件）和PWM变换器（IGBT等全控型器件）的直流电动机驱动控制系统进行仿真实验与分析，以加强全书的“实践内容”；全章内容也可作为“电力传动控制系统CAD课程设计”教学环节的参考资料。
2在第四章中，增加了“电力电子系统CAD”与“基于经典频域法的DC/DC变换器控制系统设计”两节，以加强“电力电子系统仿真”的内容。
3在第五章中，增加了“基于矢量控制的感应电动机变频调速系统设计”和“基于效率最优的永磁同步电动机驱动控制系统设计”两节，以加强“电力电子与电力传动系统设计”的内容。
4为任课教师配备有“多媒体课件”（内容量达1GB），其中包括：各章的电子教案PPT、音视频资料、习题解答、参考文献、教学文档（教学大纲、实验指导书、课程报告等）。
本书系编者长期教学与科研工作的凝练与总结。在高等工程技术人才培养的过程中，编者认为：“能力比知识更重要”，知识要不断地推陈出新，而“独立的思辨能力、终身的学习能力”将会使学生终身受益。因此，如何在仿真技术类课程的教学中“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、激发创新的空间”，始终是任课教师应该思考与实践的问题。

本书共分五章，其中第一、二、五章由张晓华教授编写，第三、四章由张晓华教授与郭源博副教授共同编写，郭源博副教授负责全书“电力电子与电力传动”相关内容的组织与统稿工作；全书由张晓华教授统稿，东北大学薛定宇教授主审。
控制系统数字仿真与CAD第4版前言四、 关于本书的使用
本书按授课32学时编写。对于仿真技术类专业基础课程，可选用本书的前四章内容（具体内容可视需要灵活删减），一般学时数为“24学时授课+8学时实验”；对于控制系统数字仿真与CAD类专业课，可选用全书内容（其中第四、五章的内容可视需要灵活删减），一般学时数为“32学时授课+8学时实验”。
仿真技术类课程是一门“综合性、理论性、实践性”较强的专业课程，建议8学时的实验内容（或“课程设计”教学环节）在“直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计”“一阶直线倒立摆系统的双闭环PID控制方案设计”“PWM整流器高功率因数控制系统设计”“基于矢量控制的交流电动机（感应电动机/永磁同步电动机）驱动控制系统设计”“基于单片机的水箱液位控制系统设计”“磁悬浮轴承位置伺服控制”“自平衡式两轮电动车直行与转向复合控制”等选题中，根据本专业的课程需要灵活选择与组合。
作为以提高学生“综合运用已有知识能力”“自主学习能力”“分析与解决复杂工程问题能力”为目的的仿真技术类课程，编者建议其考核以“平时大作业+项目设计报告+开卷考试”的“形成性评价”方式进行，重点考核学生“综合运用已有知识解决实际问题的能力、归纳总结能力与写作表达能力”。
五、 致谢
在本书成稿与面世的过程中，得到以下基金、单位和同仁的热诚支持与帮助：
国家自然科学基金（51377013，51407023）；
大连理工大学教育教学改革基金（JC2016003，JG_2019010）；
大连理工大学电子信息与电气工程学部；
大连理工大学电气工程学院；
大连理工大学黄凯、李浩洋、夏金辉、李泽、程开新等研究生；
机械工业出版社。
在此，一并致以衷心的感谢。
由于编者水平有限，错误与不当之处在所难免，殷切希望广大读者批评指正。
信函请至：辽宁省大连市高新区凌工路2号 邮编：116023
大连理工大学电气工程学院（电气楼405室） 张晓华 收。
Email：xh_zhang@dluteducn。