本书系统地介绍控制系统设计与分析过程中所涉及的仿真理论以及方法。首先介绍仿真的基本概念、仿真的过程、仿真技术的发展及应用情况;然后分别介绍各种工程上常用的仿真理论和方法:数值积分法仿真连续系统,连续系统的离散化仿真、采样控制系统的数字仿真、数字控制器控制规律的实现与实时仿真以及控制系统的参数*优化技术;*后分别以发动机控制系统以及飞行控制系统为对象,介绍飞机和发动机控制系统的建模过程、其动态特性的数字仿真方法以及半物理仿真实验方法。书中给出了用C语言和MATLAB实现的仿真方法和一些仿真实例。
本书适用于具有自动控制理论基础的机械及机电类专业本科生及工程人员作教材或参考书。

系统仿真技术是一门多学科综合的应用技术学科,也是一门近年来发展迅速的新兴学科。仿真技术除用于航空、航天和原子能等领域外,也广泛应用在冶金、化工、船舶、电力控制及一般工业过程控制系���中,它在建立新的控制系统、控制系统排故、确定*优控制规律和方案以及人员培训等方面都有着广泛应用。特别是在航空发动机控制系统以及飞行控制系统等的研制、生产和使用的各个阶段,仿真技术均起着重要的作用,不论控制器是机械液压式、气动式、电子式,还是数字控制式,通过仿真均可获得系统的有关特性。
本书力求理论与工程实际相结合,使读者不仅能掌握数字仿真的基本原理,而且能实际应用仿真技术进行控制系统的设计、分析和研究。一方面,系统地介绍控制系统设计与分析过程中所涉及的仿真理论以及仿真方法。首先分析系统理论、系统辨识与系统仿真三者的关系,初步介绍了仿真的过程及仿真技术的应用,使读者对仿真技术有一个全面的认识;然后分别介绍各种仿真理论,包括连续系统的数字仿真、采样控制系统的数字仿真、数字控制器控制规律的实现以及实时仿真、控制系统的参数*优化技术。另一方面,从仿真技术的理论分析入手,以工程应用为目标,通过一些工程实例介绍仿真技术的应用,介绍数字仿真技术的*新发展与应用以及国际上广泛使用的**数字仿真软件的使用方法和先进的可视化数字仿真技术的基本原理。以发动机控制系统以及飞行控制系统为对象,介绍非线性模型及数字仿真技术的应用,其中包括发动机部件级模型以及状态方程模型的动态特性的仿真,并在数字仿真的基础上,介绍半物理仿真的过程以及研制方法。通过本书的学习,读者能加深对控制理论的理解,并具备利用仿真技术开发控制系统的初步能力。

第1章 概述1
1.1 仿真的基本概念1
1.1.1 仿真的定义1
1.1.2 物理仿真、半物理仿真和数学仿真1
1.1.3 数学仿真的种类4
1.1.4 实时仿真和非实时仿真4
1.1.5 实物在回路仿真和人在回路仿真4
1.2 数字仿真的基本过程5
1.3 仿真技术的发展与趋势8
1.3.1 仿真技术的发展8
1.3.2 国内外技术现状9
1.3.3 仿真技术的展望 10
1.4 仿真技术的应用11
1.4.1 系统仿真的意义11
1.4.2 仿真技术在各领域的应用11
习题13
第2章 数值积分法仿真连续系统14
2.1 一般概念14
2.1.1 数字仿真的概念14
2.1.2 微分方程与状态方程15
2.1.3 面向系统结构图的仿真模型19
2.2 数值积分法25
2.3 龙格库塔法26
2.4 亚当姆斯法30
2.5 数值积分法中的若干问题32
2.5.1 计算收敛性与稳定性32
2.5.2 计算精度34
2.5.3 积分方法、步长和阶数的选择34
2.5.4 Stiff方程38
2.6 数字仿真程序41
2.6.1 仿真程序的基本结构41
2.6.2 面向结构图和传递函数的仿真程序42
习题46
第3章 连续系统的离散化仿真47
3.1 替换法47
3.1.1 简单替换法48
3.1.2 双线性变换法49
3.2 根匹配法53
3.2.1 根匹配法的步骤54
3.2.2 根匹配法的稳定性和精度57
3.3 离散相似法59
3.3.1 离散相似法的含义和特点59
3.3.2 连续系统状态方程离散化60
3.3.3 典型环节的离散系数及差分方程61
3.3.4 典型非线性环节仿真66
3.3.5 纯滞后环节仿真69
3.4 增广矩阵法72
3.4.1 增广矩阵法的基本思想72
3.4.2 不同输入信号下的增广状态方程72
3.5 数字仿真程序设计76
3.5.1 线性系统的离散相似法仿真程序设计76
3.5.2 非线性系统离散相似法仿真程序设计78
3.6 用z变换法建立系统的差分方程80
3.7 离散模型的精度和稳定性87
3.7.1 采样周期Ts的影响87
3.7.2 保持器的影响89
3.8 采用补偿器提高仿真模型的稳定性和精度91
习题95
第4章 采样控制系统的数字仿真与设计96
4.1 采样控制系统96
4.1.1 采样控制系统的工作特点97
4.1.2 采样周期Ts与计算步长h的关系97
4.2 采样控制系统数字仿真100
4.2.1 只要求采样时刻的输出100
4.2.2 采样控制系统数字仿真应用举例102
4.3 数字控制器控制规律的实现106
4.3.1 PID控制规律107
4.3.2 *少拍控制109
4.4 含PID控制器的实时仿真114
4.4.1 PID控制规律的程序实现114
4.4.2 Windows方式下的实时仿真程序设计115
习题120
第5章 控制系统优化技术122
5.1 控制系统*优化问题概述123
5.1.1 参数*优化123
5.1.2 函数*优化123
5.1.3 参数*优化的解法124
5.2 性能指标125
5.2.1 性能指标的一般概念125
5.2.2 性能指标的分类126
5.2.3 性能指标的选择原则128
5.3 单参数寻优技术128
5.3.1 黄金分割法(又称0.618法)129
5.3.2 二次插值法(又称近似法)131
5.4 无约束条件下多参数寻优技术136
5.4.1 多变量函数的极值条件和间接寻优136
5.4.2 *速下降法137
5.4.3 共轭梯度法141
5.4.4 单纯形加速法145
5.4.5 PID控制参数优化149
习题151
第6章 控制系统MATLAB仿真152
6.1 先进仿真软件MATLAB152
6.2 M文件与MATLAB函数154
6.2.1 脚本(Script)文件155
6.2.2 函数(Function)文件155
6.2.3 MATLAB函数分类156
6.2.4 微分方程初值问题的数值解法157
6.2.5 MATALB的编程实例158
6.3 控制系统MATLAB仿真159
6.3.1 控制系统的数学模型159
6.3.2 控制系统时域性能分析161
6.3.3 控制系统频域性能分析163
6.3.4 控制系统根轨迹分析164
6.4 MATLAB仿真集成环境工具SIMULINK165
6.4.1 SIMULINK仿真工具概述165
6.4.2 SIMULINK仿真的数值分析166
6.4.3 仿真实例167
6.4.4 利用SIMULINK动态结构图的时域响应仿真173
第7章 建模与仿真175
7.1 航空发动机建模与仿真175
7.1.1 航空发动机建模175
7.1.2 发动机控制系统半物理仿真181
7.2 无人机建模与仿真185
7.2.1 无人机数学建模186
7.2.2 无人机飞行控制系统结构和原理191
7.2.3 无人机半物理仿真193
附录199
附录1 四阶龙格库塔法仿真程序一199
附录2 四阶龙格库塔法仿真程序二200
附录3 离散相似法仿真含非线性环节的控制系统203
附录4 采样控制系统的仿真205
附录5 双速率采样控制系统的仿真206
附录6 实时PID控制209
附录7 黄金分割法212
附录8 二次插值法213
附录9 *速下降法214
附录10 共轭梯度法218
附录11 单纯形法PID参数寻优222
参考文献228
……