计算机辅助设计技术是一种包含计算机硬件、软件与设计者的人机共存系统，在系统中设计者与计算机相互作用并共同有效地工作，以完成预想的工作。由于这部分的内容十分丰富，类似的出版物也很多，因此本书取材时尽量避免与类似的出版物内容重复且侧重于作者多年来在教学、科研及生产现场使用过的一些方法。例如,第6章计算机辅助建立系统动态模型，为避免与系统辨识等著作重复，这部分内容就没有列入，而着重介绍目前国内外在工业应用中常用的测试方法。第7～9章的一些方法也均被作者使用过，这几章的例子均出自实际应用。为了给出计算机辅助控制系统设计一个较完整的概念，本书第10章介绍了目前国际上较通用的一些CADCS软件，如MATLAB等的功能及特点。

本书的前5章是控制系统数字仿真部分，包括连续系统数学模型表示方法及实现、连续系统的离散化、连续控制系统的仿真、采样控制系统的数字仿真等内容，在取材及编排上根据多年的教学与实践经验做了一定的处理，以期突出基本原理及概念。第6～9章着蘑介绍作者在应用实践中已经证明是行之有效的方法，内容涵盖计算机辅助建立系统动态模型、基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计、基于时域的线性控制系统计算机辅助设计，其中不但涉及PID控制器、先进控制器的辅助设计与仿真，而且结合了编者在应用中的实例，具有鲜明的理论联系实际特色。第10章从应用角度，进一步介绍了目前国际上较通用的一些CACSD软件及其功能，着重介绍目前应用的主流产品MATLAB。

本书立足于控制系统数字仿真及计算机辅助设计的基础理论与概念，注重理论与实际应用相结合，在注意到知识的完整性与系统性的同时，没有面面俱到地去罗列一些已经广泛见诸于类似著作中的方法。

本书既可作为普通高等院校自动化及相关专业相应课程的教材，还可广大从事自动控制的工程技术人员参考。

1 概论

 1.1 仿真技术概述

1.1.1 仿真技术简介

1.1.2 仿真技术的应用与发展

 1.2 计算机辅助设计控制系统的形成与发展

 习题

2 连续系统数学模型表示方法及实现

 2.1 连续系统的数学模型表示方法

2.1.1 连续时间模型

2.1.2 离散时间模型

2.1.3 连续离散混合模型

2.1.4 数学模型之间的转换

 2.2 实现问题

2.2.1 可控标准型

2.2.2 可观标准型

2.2.3 对角标准型

2.2.4 若当标准型

2.2.5 传递函数中分子分母同阶次时的处理

2.2.6 状态初值的通用求解方法

 习题

3 连续系统的离散化

 3.1 引言

3.1.1 解析解与数值解

3.1.2 常微分方程初值问题和边值问题

3.1.3 线性常微分方程组的稳定性

3.1.4 病态微分方程组

3.1.5 数值解的稳定性

3.1.6 数值计算中误差的来源

 3.2 数值分析方法

3.2.1 化导数为差商的方法

3.2.2 泰勒展式法

3.2.3 数值积分法

 3.3 常用的数值积分方法

3.3.1 单步法

3.3.2 多步法

3.3.3 预估校正法

3.3.4 数值积分方法的选择

 3.4 离散相似法离散连续系统

3.4.1 连续系统状态方程的离散化

3.4.2 连续系统传递函数的离散化

3.4.3 快速数字仿真算法

3.4.4 信号重构

3.4.5 保持器的传递函数及其频率特性

3.4.6 离散相似模型的校正

 习题

4 连续控制系统的仿真

 4.1 仿真模型的结构

4.1.1 面向闭环系统微分方程(或传递函数)的数字仿真

4.1.2 面向系统结构图的数字仿真

 4.2 典型环节的离散化系统及其差分方程

4.2.1 三阶环节

4.2.2 滞后环节

4.3 控制系统结构图的数值表示方法

 4.4 非线性系统的仿真

4.4.1 饱和、分段线性及失灵区非线性特性

4.4.2 间隙非线性特性

4.4.3 继电及具有死区的继电非线性特性

4.4.4 具有滞环的继电非线性特性

4.4.5 具有死区和滞环的继电非线性特性

 4.5 关于仿真误差及数值稳定性问题

4.5.1 截断误差

4.5.2 舍入误差

 习题

5 采样控制系统的数字仿真

 5.1 计算机控制系统的仿真

 5.2 数字控制器的仿真

 习题

6 计算机辅助建立系统动态模型

 6.1 用经典时域辨识法建立对象动态数学模型

6.1.1 阶跃响应与方波响应

6.1.2 低阶传递函数模型的建立

6.1.3 从响应曲线求对象的微分方程模型

 6.2 用频域法辨识系统模型

6.2.1 由系统脉冲过渡函数g(t)计算频率特性

6.2.2 由系统的频率特性拟合传递函数

 6.3 用相关分析法辨识系统脉冲响应函数

6.3.1 相关分析法的理论基础

6.3.2 相关函数的实验求取方法

6.3.3 用白噪声测定系统的脉冲响应

6.3.4 用伪随机信号辨识脉冲响应函数

 习题

7 基于频域的控制系统计算机辅助分析与设计

 7.1 单变量系统的稳定性分析

7.1.1 劳斯判据

7.1.2 霍尔维茨稳定判据

 7.2 传递函数的频率特性计算

7.2.1 因式分解形式的传递函数频率特性计算

7.2.2 直接计算多项式表示的传递函数频率特性

7.2.3 系统的稳定裕度

 7.3 基于频域法的单变量控制系统计算机辅助设计

7.3.1 基于频域法的串联校正原理

7.3.2 校正装置传递函数的计算

 7.4 多变量系统设计的现代频域方法简介

7.4.1 概述

7.4.2 基本概念

7.4.3 现代频域方法简介

 习题

8 PID控制器的计算机仿真与辅助设计

 8.1 PID控制器

8.1.1 标准PID控制算法

8.1.2 标准PID控制算法的改进

8.1.3 连续系统PID控制器仿真及设计

8.1.4 数字PID控制器仿真及设计

 8.2 PID控制器的参数自动整定

8.2.1 PID控制器的参数整定与自动整定

8.2.2 基于继电反馈控制的PID控制器参数自动整定

8.2.3 示例

 8.3 鲁棒PID控制器参数整定

8.3.1 鲁棒PID控制器参数整定思想

8.3.2 鲁棒PID控制器参数整定算法

8.3.3 鲁棒PID控制器示例

 习题

9 基于时域的线性控制系统计算机辅助设计

 9.1 状态反馈和极点配置

9.1.1 系统的状态能控性和状态能观性

9.1.2 状态反馈和输出反馈

9.1.3 单输入系统的极点配置

9.1.4 多输入系统的极点配置

 9.2 具有线性二次型性能指标的最优控制系统

9.2.1 概述

9.2.2 状态调节器

9.2.3 最优线性输出调节器问题

9.2.4 具有期望衰减度的线性二次型调节器

 9.3 鲁棒控制器

9.3.1 概述

9.3.2 鲁棒控制器的定义

9.3.3 鲁棒控制器的存在条件

9.3.4 鲁棒控制器的结构

9.3.5 鲁棒控制器的性质

 9.4 模型预测控制器

9.4.1 预测控制基本原理

9.4.2 预测控制算法介绍

9.4.3 参数选择

9.4.4 多变量DMC算法

 9.5 计算机辅助设计控制系统的工程应用实例之一

9.5.1 造纸生产过程简介

9.5.2 计算机辅助建立纸机模型

9.5.3 控制系统计算机辅助设计

9.5.4 控制系统实施

 9.6 计算机辅助设计控制系统的工程应用实例之二

9.6.1 常压塔控制回路工艺

9.6.2 常压塔先进控制系统总体结构

9.6.3 常压塔多变量预测控制器设计

9.6.4 控制系统计算机辅助设计

9.6.5 控制系统实施

 习题

10 计算机控制系统设计与仿真软件

 10.1 CACSD简介

10.1.1 CACSD软件形成的历史背景

10.1.2 CACSD的主要内容及特点

10.1.3 CACSD软件国内外发展概况

 10.2 MATLAB控制系统设计

10.2.1 MATLAB控制功能介绍

10.2.2 基于SIMULINK的控制系统设计

10.2.3 MATLAB在倒摆系统设计中的应用

10.2.4 MATLAB类软件介绍

 10.3 SLICOT软件

10.3.1 SLICOT功能介绍

10.3.2 算法改进

10.3.3 性能比较

 10.4 采样控制系统软件DirectSD

10.4.1 理论基础

10.4.2 系统描述

10.4.3 最优随机控制

10.4.4 最优跟踪系统的设计

10.4.5 最优稳定系统设计举例

 10.5 CACSD的技术现状和展望

 习题

参考文献