状态方程法和离散化模型法的区别仅仅是对系统方程进行离散化处理的次序不同。离散化模型法是通过系统中的每个元件支路方程的离散化而形成整个系统方程的离散化，即由于局部的离散化而导致整体的离散化。而状态方程法对系统方程的离散化则是由于状态方程按步长的离散化计算而出现的。因此，这两种数学模型在本质上是一致的，即如果选用的积分公式相当，则两种数学模型所得的结果也是相当的。

用此法求解线性网络的步骤为：（1）根据描述单个元件特性的微分方程或代数方程导出描述整个系统状态的微分方程组，用一阶微分方程组并按规定的格式排列时，又称状态方程；（2）选择适当的数值积分公式对微分方程组进行离散化处理，并形成相应的离散化代数方程组；（3）利用递推法求解离散化代数方程组，最终得到网络在一系列时间离散点上的数值解。状态方程法的特点是直观、明了，但通常因每次建立阀通断组态不变的时间段内的整个系统状态方程比较复杂，而显得不够简捷。2100433B

直流输电系统的关键设备换流阀是一种电力电子开关器件，它不但具有强烈的非线性伏安特性，而且周期性地开通和关断，使换流器的阀通断组态不断变动，表征系统电路图形的拓扑结构也随之发生变化。因此，直流输电系统数字仿真的主要特点为：（1）从过程总体而言是一个非线性系统；（2）在换流器的阀通断组态不变的每一时段内，仍可视为线性系统；（3）凭借阀通断组态变化时刻前后状态变量的连续性，两相邻时段得以衔接，从而可能完成直流输电中被研究课题的整个过程的计算和分析。其实质是采用分时段求解线性系统的方法，来完成非线性系统的计算。通常采用时域分析方法求解分段线性系统，分状态方程法和离散化模型法两类，都大致有建立数学模型、选用合适的计算方法、编出相应的程序和在计算机上进行数值计算等步骤。

仿真技术已成为现代工程师必须掌握的基本技能之一。而MATLAB语言的出现，使得数字仿真技术进入实质性的应用阶段。MATLAB计算功能强大、图形功能丰富、易学易用，已成为控制理论与控制工程、图像处理与识别及计算机仿真领域的一个有力工具。控制系统的建模、时域分析、频域分析、控制系统的校正与设计都离不开MATLAB的支持，图像图形的除噪、除雾处理，也离不开MATLAB的支持。

本书通过大量仿真实例，对MATLAB 7.0的功能、操作及其在控制系统和图像处理中的应用进行了阐述和讲解，书中的所有实例程序均经过验证和测试，是编者多年来教学和科研的结晶。本书共7章，第1章概述仿真技术的发展历史和发展趋势。第2章和第3章介绍MATLAB语言基础和控制系统的数学描述与建模，介绍常用的MATLAB基本命令，通过实例描述如何对控制系统进行建模。第4章结合自动控制理论的课程内容，介绍控制系统的时频域分析及校正设计。第5章描述如何运用SIMULINK对控制系统进行仿真，重点介绍了S函数的编写以及如何利用SIMULINK模型与S函数的结合，实现复杂系统的仿真。第6章介绍常用的图像处理命令，以及三个图像处理的仿真实例，包括数字水印版权保护系统、图像融合、雾环境下的图像增强处理等完整系统的仿真程序与实现过程。第7章介绍汽车电子控制系统的仿真实例。

本书的编写分工为：上海工程技术大学吴健珍为主编并编写第1章、第4～6章，罗晓编写第7章，陈剑雪编写第2、3章。上海工程技术大学张莉萍教授为主审。在本书的编写过程中，得到了学院领导和众多老师的支持与帮助，在此一并表示衷心感谢。

虽然编者力求精益求精，但由于水平有限，书中错误和疏漏之处在所难免，敬请广大读者和专家批评指正。

编者

2014年2月

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2412100433B

本书阐述了数字仿真技术的概念，介绍了如何运用MATLAB语言对控制系统建模、分析和设计过程、数字图像处理等进行仿真实现。全书共7章，可分为三大部分内容，第一部分为数字仿真的概念和MATLAB命令基础（第1、2章）；第二部分为控制系统建模、时频域分析与设计的MATLAB实现、S函数的编程（第3~5章）；第三部分为系统仿真实例，包括图像处理仿真实例和汽车电子控制系统的仿真实例（第6、7章）。

本书立足于经典控制理论的理论知识，运用MATLAB语言采用大量仿真实例进行演示，内容系统、实例详尽、讲解透彻，有助于激发读者的学习兴趣。在阐述了MATLAB语言基础后，按照对对象系统的研究过程，首先给出系统的建模方法，建模后可通过时频域方法对系统进行分析及校正设计。最后，通过对数字水印系统、图像融合、图像去雾处理及汽车电子控制系统等完整系统的仿真实例进一步演示如何进行系统仿真，使读者能够通过所举的例子快速掌握MATLAB编程。

本书系高等院校自动化专业本科生教材，可作为电气工程及其自动化等专业“仿真技术”类课程的教学用书，也可供相关学科科研或工程技术人员参考。