《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD（第3版）》在概述了仿真技術(shù)發(fā)展進程的基礎(chǔ)上，以MATLAB語言為平臺，系統(tǒng)地闡述了數(shù)字仿真技術(shù)的基本概念、原理與方法，概括了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中的基本內(nèi)容。全書共五章，主要包括：控制系統(tǒng)的實驗方法、系統(tǒng)的數(shù)學描述與模型的建立、數(shù)字仿真的實現(xiàn)方法、控制系統(tǒng)CAD及其綜合應用等內(nèi)容。
書中涉及運動控制、過程控制、電磁與電力電子控制等系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計問題，其內(nèi)容深入淺出，可讀性較強；各章設(shè)有“問題與探究”一節(jié)，配有練習型、分析/設(shè)計型和探究型的習題，有助于激發(fā)學生的興趣，拓展技術(shù)領(lǐng)域，以使讀者進一步領(lǐng)會與掌握相關(guān)領(lǐng)域的內(nèi)容。
《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD（第3版）》系高等院校自動化專業(yè)本科生用教材，也可作為電氣工程及其自動化、機械設(shè)計制造及其自動化等專業(yè)“仿真技術(shù)”類課程的教學用書。
一、關(guān)于本書
1997年5月，針對“數(shù)字仿真與CAD技術(shù)”的廣泛應用與發(fā)展趨勢，為滿足本科生教學工作的需要，全國高等學校工業(yè)自動化專業(yè)教學指導委員會決定組織編寫“控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD”課程的本科生教材，并將其列為“九五”規(guī)劃教材。1999年，《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD）（第1版）由機械工業(yè)出版社出版，并于2005年修訂。
《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD》出版10年以來，作為國內(nèi)較早地將MATLAB語言融入仿真課程中的本科生教材，廣泛地被讀者評價為注重基礎(chǔ)、內(nèi)容精煉、可讀性強、工程案例內(nèi)容豐富、多媒體課件資料齊全，先后被國內(nèi)100余所院校選作為仿真類課程的教材。
隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，目前已由原來的多個本科專業(yè)合并而成自動化、電氣工程與自動化、電氣工程及其自動化、機械設(shè)計制造及其自動化等本科專業(yè)。同時，高等院校本科生的培養(yǎng)目標已向著厚基礎(chǔ)、寬口徑、重能力的方向發(fā)展，仿真技術(shù)類課程的內(nèi)容也逐步從原理與軟件學習拓展到工程案例教學方向上來。
因此，作為涉及自動控制原理、數(shù)值分析、控制系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容的仿真技術(shù)類課程，需要不斷地與時俱進。
二、仿真技術(shù)類課程教學所面臨的問題
1.課程設(shè)置的必要性
仿真技術(shù)在其近50年的發(fā)展歷史中，推動了幾乎所有設(shè)計領(lǐng)域的革命，被喻為20世紀下半葉十大工程技術(shù)成就之一；如今，仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代工程師應該掌握的基本技能之一。
作為聯(lián)系自動控制理論、自動控制系統(tǒng)／設(shè)計、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學環(huán)節(jié)的仿真技術(shù)類課程，其不僅可以使學生加強課程的學習效果，而且還可為學生在畢業(yè)設(shè)計中提供一個強有力的工具，有效加強教學中的實踐性教學環(huán)節(jié)，提高學生的獨立工作能力和創(chuàng)造性思維能力。
2.新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)
作為以計算機系統(tǒng)、數(shù)值技術(shù)以及應用軟件為基本手段的仿真技術(shù)，其內(nèi)涵與其應用將會隨著IT業(yè)的發(fā)展、各行業(yè)的需求和新技術(shù)的涌現(xiàn)而不斷地向前發(fā)展。如何引領(lǐng)前沿技術(shù)進入仿真技術(shù)類課程的教學中來，以提高學生的學習興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)造意識，開闊他們的思維視野，是本課程面臨的重要問題之一。
3.能力的培養(yǎng)與訓練
作為一類建立在若干先修課程與知識基礎(chǔ)之上的應用型專業(yè)課，仿真技術(shù)類課程應該傳授給學生些什么？筆者認為：把仿真技術(shù)這一“利器”傳授給學生，使學生掌握其中的基本概念、基本原理和基本方法是本門課程最低層次的要求。同時，如何充分利用仿真工具，使學生加深理解所學的課程與知識內(nèi)容，培養(yǎng)學生獨立地分析問題與解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)造意識，訓練學生的思維方法，是仿真技術(shù)類課程教學所面臨的深層次問題。
張曉華，博士，男1961年4月生，1979年入哈爾濱工業(yè)大學工業(yè)自動化專業(yè)，1983年本科畢業(yè)并留校任教，1989年獲該專業(yè)碩士學位；1998年獲哈工大控制理論與工程專業(yè)博士學位；2000年任哈工大電力電子與電力傳動學科教授，2003年任該學科博士生導師；1999～2004年任哈工大電氣工程系工業(yè)自動化教研室主任；現(xiàn)任哈工大電氣工程及自動化學院副院長，教育部高等學校電氣工程及自動化專業(yè)教學指導委員會委員，教育部本科工程教育專業(yè)認證電子信息與電氣工程類專業(yè)認證專家組成員，黑龍江省自動化學會理事，黑龍江省優(yōu)秀中青年專家。
編著《系統(tǒng)建模與仿真》一書（“十一五”國家級規(guī)劃教材，清華大學出版社2006）；完成多項國家“863”計劃課題與橫向課題，已獲國家級科技進步三等獎、部級科技進步二等獎與三等獎各一項；其中，“管內(nèi)移動機器人技術(shù)研究與應用”項目獲1999年度國家科技進步成果三等獎；已發(fā)表論文70余篇。
近年來，主要在智能機器人與運動控制、機器視覺與自主控制、電力電子系統(tǒng)建模與非線性控制等方向開展工作。
第版前言
第一章 概述
第一節(jié) 控制系統(tǒng)的實驗方法
一、解析法
二、實驗法
三、仿真實驗法
第二節(jié) 仿真實驗的分類與性能比較
一、按模型分類
二、按計算機類型分類
第三節(jié) 系統(tǒng)、模型與數(shù)字仿真
一、系統(tǒng)的組成與分類
二、模型的建立及其重要性
三、數(shù)字仿真的基本內(nèi)容
第四節(jié) 控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真軟件
一、CAD技術(shù)的一般概念
二、控制系統(tǒng)CAD的主要內(nèi)容
三、數(shù)字仿真軟件
第五節(jié) 仿真技術(shù)的應用與發(fā)展
一、仿真技術(shù)在工程中的應用
二、應用仿真技術(shù)的重要意義
三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢
第六節(jié) 問題與探究——虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)
一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)
二、虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)
三、基于虛擬樣機的球棒控制系統(tǒng)仿真
小結(jié)
習題
第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學描述
第一節(jié) 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
一、控制系統(tǒng)數(shù)學模型的表示形式
二、數(shù)學模型的轉(zhuǎn)換
三、線性時不變系統(tǒng)的對象數(shù)據(jù)類型描述
四、控制系統(tǒng)建模的基本方法
第二節(jié) 控制系統(tǒng)建模實例
一、獨輪自行車實物仿真問題
二、龍門起重機運動控制問題
三、水箱液位控制問題
四、燃煤熱水鍋爐控制問題
五、三相電壓型PWM整流器系統(tǒng)控制問題
六、磁懸浮軸承運動控制問題
第三節(jié) 實現(xiàn)問題
一、單變量系統(tǒng)的可控標準型實現(xiàn)
二、控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真實現(xiàn)
第四節(jié) 常微分方程數(shù)值解法
一、數(shù)值求解的基本概念
二、數(shù)值積分法
三、關(guān)于數(shù)值積分法的幾點討論
第五節(jié) 數(shù)值算法中的“病態(tài)”問題
一、“病態(tài)”常微分方程
二、控制系統(tǒng)仿真中的“病態(tài)”問題
三、“病態(tài)”系統(tǒng)的仿真方法
第六節(jié) 數(shù)字仿真中的“代數(shù)環(huán)”問題
一、問題的提出
二、“代數(shù)環(huán)”產(chǎn)生的條件
三、消除“代數(shù)環(huán)”的方法
第七節(jié) 問題與探究——電力電子器件建模問題
一、問題提出
二、建模機理
三、問題探究
小結(jié)
習題
第三章 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的實現(xiàn)
第一節(jié) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其拓撲描述
一、控制系統(tǒng)常見的典型結(jié)構(gòu)形式
二、控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)描述
三、控制系統(tǒng)的連接矩陣
第二節(jié) 面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的數(shù)字仿真
一、典型閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字仿真
二、復雜連接的閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)字仿真
第三節(jié) 環(huán)節(jié)的離散化與非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真
一、連續(xù)系統(tǒng)的離散化模型法
二、非線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真
第四節(jié) 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真
一、采樣控制系統(tǒng)的數(shù)學描述
二、采樣控制系統(tǒng)的仿真方法
三、采樣控制系統(tǒng)仿真程序?qū)崿F(xiàn)
第五節(jié) 問題與探究——一類非線性控制系統(tǒng)數(shù)字仿真的效率問題
一、問題提出
二、問題分析
三、幾點討論
小結(jié)
習題
第四章 控制系統(tǒng)CAD
第一節(jié) 概述
第二節(jié) 經(jīng)典控制理論CAD
一、控制系統(tǒng)固有特性分析
二、控制系統(tǒng)的設(shè)計方法
三、控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計
第三節(jié) 基于雙閉環(huán)PID控制的一階倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計
一、系統(tǒng)模型
二、模型驗證
三、雙閉環(huán)PID控制器設(shè)計
四、仿真實驗
五、結(jié)論
第四節(jié) 現(xiàn)代控制理論CAD
一、線性二次型最優(yōu)控制器設(shè)計
二、模型參考自適應控制系統(tǒng)設(shè)計
第五節(jié) 基于時間最優(yōu)控制的起重機防擺控制技術(shù)研究
一、問題的提出
二、時間最優(yōu)控制
三、系統(tǒng)建模
四、模型驗證
五、時間最優(yōu)控制策略
六、仿真實驗
七、結(jié)論
第六節(jié) 問題與探究——“球車系統(tǒng)”的建模與控制問題
一、問題提出
二、系統(tǒng)建模
三、問題探究
小結(jié)
習題
第五章 數(shù)字仿真技術(shù)的綜合應用
第一節(jié) 直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中的若干問題
一、雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的目的
二、關(guān)于積分調(diào)節(jié)器的飽和非線性問題
三、關(guān)于ASR與ACR的工程設(shè)計問題
四、雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析
第二節(jié) 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計方法
一、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的魯棒性設(shè)計
二、“高精度齒輪量儀”位置伺服系統(tǒng)控制器設(shè)計
第三節(jié) “水箱系統(tǒng)”液位控制的仿真研究
一、系統(tǒng)建模
二、數(shù)字仿真
三、結(jié)果分析
第四節(jié) 一階倒立擺系統(tǒng)的雙閉環(huán)模糊控制方案
一、引言
二、模糊理論中的幾個基本概念
三、一階倒立擺系統(tǒng)的雙閉環(huán)模糊控制
四、仿真實驗
五、結(jié)論
第五節(jié) 基于單位功率因數(shù)的PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計
一、引言
二、滑模變結(jié)構(gòu)控制
三、系統(tǒng)建模與模型驗證
四、基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計
五、仿真實驗
六、結(jié)論
第六節(jié) 問題與探究——兩輪電動車自平衡控制問題
一、問題提出
二、系統(tǒng)建模
三、問題探究
小結(jié)
習題
參考文獻
（3）交互式語言階段從人－機之間信息交換便利的角度出發(fā)，將數(shù)字仿真所涉及的問題上升到“語言”的高度所進行的軟件集成，其結(jié)果就產(chǎn)生了交互式的“仿真語言”。仿真語言與普通高級算法語言（如C、FORTRAN等）的關(guān)系就如同C語言與匯編語言的關(guān)系一樣，人們在用C語言在進行乘（或除）法運算時不必去深入考慮乘法是如何實現(xiàn)的（已有專業(yè)人員周密處理之）；同樣，仿真語言可用一條指令實現(xiàn)“系統(tǒng)特征值的求取”，而不必考慮是用什么算法以及如何實現(xiàn)等低級問題。
當今具有代表性的仿真語言有：瑞典Lund工學院的SIMNON仿真語言、IBM公司的CSMP仿真語言以及ACSL、TSIM、ESL等。20世紀80年代初，由美國學者Cleve Moler等人推出的交互式MATLAB語言以它獨特的構(gòu)思與卓越的性能為控制理論界所重視，現(xiàn)已成為控制系統(tǒng)CAD領(lǐng)域最為普及與流行的應用軟件。
（4）模型化圖形組態(tài)階段盡管仿真語言將人－機界面提高到“語言”的高度，但是對于從事控制系統(tǒng)設(shè)計的專業(yè)技術(shù)人員來講還是有許多不便，他們似乎對基于模型的圖形化（如框圖）描述方法更親切。隨著“視窗”（Windows）軟件環(huán)境的普及，基于模型化圖形組態(tài)的控制系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件應運而生，它使控制系統(tǒng)CAD進入到一個嶄新的階段。目前，最具代表性的模型化圖形組態(tài)軟件當數(shù)美國Math Works軟件公司1992年推出的Simulink，它與該公司著名的MATLAB軟件集成在一起，成為當今最具影響力的控制系統(tǒng)CAD軟件。
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