控制系統輔助設計與仿真驗證（基於MWORKS）

目錄
1 控制系統設計與系統建模仿真 1
1.1　控制系統設計與系統建模仿真概述 1
1.1.1 控制系統設計與系統建模仿真的相關概念 2
1.1.2 控制理論的發展歷程 3
1.1.3 控制系統的任務功能 5
1.1.4 控制系統的設計流程 5
1.1.5 控制系統的設計難點 8
1.2　控制系統計算機輔助設計的相關概念 9
1.2.1 控制系統計算機輔助設計的任務功能 9
1.2.2 控制系統計算機輔助設計的發展歷程 9
1.3　國產工業軟件 12
1.3.1 工業軟件的定義與類型 12
1.3.2 國產工業軟件的發展歷程 13
1.3.3 國產工業軟件的用戶培養 15
1.4　本書內容安排 15
1.4.1 基礎概念和軟件概述 15
1.4.2 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統控制系統設計分析 16
1.4.3 基於MWORKS.Sysplorer的非線性控制系統建模分析試驗 16
1.5　習題 17
2 MWORKS的總體情況與安裝配置 18
2.1　MWORKS的總體情況 18
2.1.1 MWORKS產品定位 18
2.1.2 MWORKS產品體系 19
2.1.3 MWORKS系統優勢 21
2.2　基於MWORKS的控制系統設計與系統建模仿真的設計流程 22
2.2.1 MWORKS對於被控對象數學建模階段的工作支撐 23
2.2.2 MWORKS對於數學模型轉換階段的工作支撐 23
2.2.3 MWORKS對於系統性能特征分析階段的工作支撐 23
2.2.4 MWORKS對於控制系統算法設計階段的工作支撐 24
2.2.5 MWORKS對於控制性能仿真驗證階段的工作支撐 24
2.3　MWORKS.Syslab的安裝與配置 25
2.3.1 MWORKS.Syslab的安裝 25
2.3.2 MWORKS.Syslab界面簡介 27
2.3.3 MWORKS.Syslab的環境首選項設置 29
2.3.4 MWORKS.Syslab的環境完整設置 30
2.3.5 MWORKS.Syslab的功能介紹 31
2.4　MWORKS.Sysplorer的安裝與配置 33
2.4.1 MWORKS.Sysplorer的安裝 33
2.4.2 MWORKS.Sysplorer界面簡介 37
2.4.3 MWORKS.Sysplorer的環境配置 44
2.4.4 MWORKS.Sysplorer的功能介紹 47
2.5　本章小結 48
2.6　習題 49
3 MWORKS.Syslab中的Julia編程語言基礎 50
3.1　Julia語言概述 50
3.2　Julia語言的變量基礎知識 51
3.2.1 Julia語言中的變量命名 51
3.2.2 Julia語言中的數據賦值 52
3.2.3 Julia語言中的數據類型 52
3.2.4 Julia語言中的註釋方法 53
3.3　Julia語言的數據運算處理 53
3.3.1 Julia語言中的數值類型 53
3.3.2 Julia語言中的數值運算 56
3.3.3 Julia語言中的數組處理 60
3.3.4 Julia語言中的字符處理 68
3.3.5 Julia語言中的集合容器 71
3.4　Julia語言的函數設計基礎 73
3.4.1 Julia語言中的函數創建 73
3.4.2 Julia語言中的函數調用 74
3.4.3 Julia語言中的控制流設計 75
3.5　Julia語言與其他語言的差異和調用方法 77
3.5.1 Julia語言與其他語言的主要差異 78
3.5.2 Julia語言調用其他語言的方法 81
3.6　本章小結 83
3.7　習題 83
4 MWORKS.Syslab的基礎操作方法 85
4.1　MWORKS.Syslab中的命令行操作指令 85
4.1.1 MWORKS.Syslab中命令行窗口的操作方法 85
4.1.2 MWORKS.Syslab中命令行窗口的常用指令 87
4.1.3 MWORKS.Syslab中命令行窗口的數據顯示 88
4.2 MWORKS.Syslab中代碼的編寫與調試 88
4.2.1 MWORKS.Syslab代碼文件的創建與保存 89
4.2.2 MWORKS.Syslab的代碼編輯環境 89
4.2.3 MWORKS.Syslab的代碼調試方法 92
4.3　MWORKS.Syslab中的數據文件處理 94
4.3.1 MWORKS.Syslab中數據文件的界面操作方法 94
4.3.2 MWORKS.Syslab中數據文件的文本編程方法 95
4.4　MWORKS.Syslab中的曲線繪制 97
4.4.1 MWORKS.Syslab中曲線繪制的界面操作方法 97
4.4.2 MWORKS.Syslab中曲線繪制的文本編程方法 100
4.5　本章小結 111
4.6　習題 111
5 基於MWORKS.Syslab的科學計算與應用 113
5.1　MWORKS.Syslab的符號數學工具箱的基礎操作方法 113
5.1.1 MWORKS.Syslab的符號數學工具箱的基本概念 113
5.1.2 MWORKS.Syslab的符號運算的基礎操作 114
5.2　利用MWORKS.Syslab求解線性代數問題 116
5.2.1 利用MWORKS.Syslab進行矩陣運算處理 116
5.2.2 利用MWORKS.Syslab進行線性代數方程的求解 121
5.3　利用MWORKS.Syslab求解微積分問題 124
5.3.1 利用MWORKS.Syslab求解微積分問題的解析解 124
5.3.2 利用MWORKS.Syslab求解微積分問題的數值解 127
5.3.3 利用MWORKS.Syslab求解微分方程 130
5.4　利用MWORKS.Syslab求解優化問題 141
5.4.1 利用MWORKS.Syslab求解非線性方程組 142
5.4.2 利用MWORKS.Syslab求解非線性優化問題 142
5.4.3 利用MWORKS.Syslab求解線性規劃問題和最小二乘問題 147
5.4.4 利用MWORKS.Syslab求解全局優化問題 151
5.5　利用MWORKS.Syslab求解數據插值/變換問題 155
5.5.1 利用MWORKS.Syslab進行隨機數據的生成 155
5.5.2 利用MWORKS.Syslab進行數據的插值處理 157
5.5.3 利用MWORKS.Syslab進行數據的變換處理 161
5.6　本章小結 166
5.7　習題 166

6 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統模型描述與處理 170
6.1　線性控制系統模型在MWORKS.Syslab中的描述方法 170
6.1.1 線性連續系統模型在MWORKS.Syslab中的描述方法 171
6.1.2 線性離散系統模型在MWORKS.Syslab中的描述方法 176
6.1.3 頻率響應數據模型在MWORKS.Syslab中的描述方法 178
6.2　線性控制系統模型在MWORKS.Syslab中的類型轉換 180
6.2.1 線性連續系統的不同描述形式在MWORKS.Syslab中的轉換方法 180
6.2.2 線性連續系統與線性離散系統在MWORKS.Syslab中的轉換方法 181
6.3　線性控制系統模型在MWORKS.Syslab中的連接處理 184
6.3.1 線性控制系統簡單連接方式在MWORKS.Syslab中的實現方法 184
6.3.2 線性控制系統復雜連接在MWORKS.Syslab中的實現方法 186
6.4　線性控制系統模型在MWORKS.Syslab中的降階處理 187
6.4.1 線性控制系統最小實現在MWORKS.Syslab中的實現方法 188
6.4.2 線性控制系統均衡實現在MWORKS.Syslab中的實現方法 190
6.5　本章小結 191
6.6　習題 192
7 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統分析與設計 194
7.1　基於MWORKS.Syslab的線性控制系統性能特征分析 194
7.1.1 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統特征判斷方法 194
7.1.2 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統穩定性分析方法 195
7.1.3 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統的可控性和可觀性分析方法 200
7.2　基於MWORKS.Syslab的線性控制系統的時域/頻域分析 204
7.2.1 線性控制系統的時域分析方法 205
7.2.2 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統的時域分析方法 207
7.2.3 線性控制系統的根軌跡分析方法 214
7.2.4 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統的根軌跡分析方法 215
7.2.5 線性控制系統的頻域分析方法 217
7.2.6 基於MWORKS.Syslab的線性控制系統的頻域分析方法 221
7.2.7 MWORKS.Syslab中的線性控制系統分析工具 227
7.3　基於MWORKS.Syslab的控制系統設計方法 230
7.3.1 MWORKS.Syslab中PID控制設計的實現方法 230
7.3.2 MWORKS.Syslab中狀態空間極點配置設計的實現方法 239
7.3.3 MWORKS.Syslab中線性二次型最優控制設計的實現方法 242
7.3.4 MWORKS.Syslab中的PID控制調參工具 247
7.3.5 MWORKS.Syslab中的控制系統工具 251
7.4　MWORKS.Syslab的其他控制相關的工具箱 256
7.4.1 MWORKS.Syslab中的系統辨識工具箱 256
7.4.2 MWORKS.Syslab中的魯棒控制工具箱 263
7.5 本章小結 269
7.6　習題 270
8 MWORKS. Sysplorer的基礎操作方法 274
8.1　基於MWORKS.Sysplorer進行仿真建模 274
8.1.1 基於MWORKS.Sysplorer進行仿真建模的適用場景 275
8.1.2 基於MWORKS.Sysplorer進行仿真建模的內容 277
8.1.3 基於MWORKS.Sysplorer進行仿真建模的操作流程 278
8.2　基於MWORKS.Sysplorer的建模準備階段的基本操作方法 279
8.2.1 MWORKS.Sysplorer中模型庫設置的操作方法 279
8.2.2 MWORKS.Sysplorer中模型創建的操作方法 280
8.3　基於MWORKS.Sysplorer的模型構建階段的基本操作方法 281
8.3.1 MWORKS.Sysplorer圖形化建模的操作方法 281
8.3.2 MWORKS.Sysplorer文本建模的操作方法 289
8.3.3 MWORKS.Sysplorer模型圖標的繪制方法 291
8.3.4 MWORKS.Sysplorer幫助文檔的編寫方法 296
8.3.5 MWORKS.Sysplorer模型檢查的操作方法和檢查內容 298
8.4　基於MWORKS.Sysplorer的仿真運行階段的基本操作方法 300
8.4.1 MWORKS.Sysplorer模型翻譯的操作方法 300
8.4.2 MWORKS.Sysplorer仿真設置的操作方法 301
8.4.3 MWORKS.Sysplorer仿真運行的操作方法 305
8.5　基於MWORKS.Sysplorer的結果分析階段的基本操作方法 306
8.5.1 MWORKS.Sysplorer數據處理的操作方法 307
8.5.2 MWORKS.Sysplorer曲線繪制的操作方法 308
8.5.3 MWORKS.Sysplorer動畫顯示的操作方法 315
8.6　基於MWORKS.Sysplorer的快捷鍵操作方式 318
8.7 本章小結 322
8.8　習題 322
9 MWORKS. Sysplorer相關模型庫簡介 323
9.1　Modelica模型庫簡介 323
9.1.1 Modelica標準庫的發展歷程 323
9.1.2 Modelica開源庫生態簡介 324
9.1.3 Modelica商業庫生態簡介 324
9.2　MWORKS.Sysplorer標準庫簡介 328
9.2.1 控制基礎模塊庫Blocks簡介 329
9.2.2 復數控制基礎庫ComplexBlocks簡介 339
9.2.3 時鐘模塊庫Clocked簡介 341
9.2.4 狀態圖庫StateGraph使用簡介 345
9.2.5 電氣基礎庫Electrical簡介 346
9.2.6 磁性基礎庫Magnetic簡介 365
9.2.7 機械基礎庫Mechanics簡介 370
9.2.8 流體基礎庫Fluid簡介 377
9.2.9 熱學基礎庫Thermal簡介 380
9.3 MWORKS.Sysplorer同元商業庫簡介 383
9.3.1 基礎模型庫TYBase簡介 383
9.3.2 機械模型庫簡介 389
9.3.3 電氣模型庫簡介 395
9.3.4 流體模型庫簡介 398
9.3.5 車輛行業庫簡介 408
9.3.6 動態儀表組件庫DynamicBolocks簡介 414
9.4　本章小結 415
9.5　習題 415
10 MWORKS. Sysplorer中的Modelica建模語言基礎 417
10.1　Modelica建模語言概述 417
10.1.1 Modelica建模語言的發展歷程 418
10.1.2 Modelica建模語言的技術優勢 419
10.1.3 Modelica建模語言的模型組成 420
10.1.4 Modelica建模語言架構 421
10.2　Modelica建模語言的語法規範 422
10.2.1 Modelica建模語言的標識命名 422
10.2.2 Modelica建模語言的數據類型 423
10.2.3 Modelica建模語言的數據運算 425
10.2.4 Modelica建模語言的數組處理 428
10.2.5 Modelica建模語言的註釋方法 432
10.3　Modelica建模語言的類型描述 433
10.3.1 Modelica建模語言中的特化類模型model簡介 433
10.3.2 Modelica建模語言中的特化類框圖block簡介 434
10.3.3 Modelica建模語言中的特化類連接器connector簡介 435
10.3.4 Modelica建模語言中的特化類類型type簡介 435
10.3.5 Modelica建模語言中的特化類函數function簡介 436
10.3.6 Modelica建模語言中的特化類記錄record簡介 437
10.3.7 Modelica建模語言中的特化類包package簡介 437
10.4　Modelica建模語言的行為描述 438
10.4.1 Modelica建模語言中模型行為的方程描述 439
10.4.2 Modelica建模語言中模型行為的算法描述 442
10.5　Modelica建模語言的連接關系 444
10.5.1 Modelica建模語言中連接關系的因果連接 445
10.5.2 Modelica建模語言中連接關系的非因果連接 445
10.5.3 Modelica建模語言中連接關系的可擴展連接 446
10.5.4 Modelica建模語言中連接關系的隱式連接 446
10.6　Modelica建模語言的函數實現 447
10.6.1 Modelica建模語言中函數實現的函數的聲明與特殊優勢 447
10.6.2 Modelica建模語言中函數實現的函數調用 448
10.6.3 Modelica建模語言中函數實現的特殊函數和特殊調用方式 450
10.6.4 Modelica建模語言中函數實現的外部調用 453
10.7　Modelica建模語言的事件處理 453
10.7.1 Modelica建模語言中事件處理的相關概念 454
10.7.2 Modelica建模語言中事件處理的事件觸發 454
10.7.3 Modelica建模語言中事件處理的抑制與平滑 455
10.8　Modelica建模語言的註解功能 457
10.8.1 Modelica建模語言中註解功能的參數面板設計 457
10.8.2 Modelica建模語言中註解功能的動態圖標設計 458
10.8.3 Modelica建模語言中註解功能的幫助文檔設計 462
10.9　本章小結 462
10.10　習題 463
11 MWORKS.Sysplorer專業工具箱的使用方法 464
11.1　MWORKS.Sysplorer中模型線性化工具箱的使用方法 465
11.1.1 MWORKS.Sysplorer中模型線性化工具箱簡介 465
11.1.2 MWORKS.Sysplorer中模型線性化工具箱的線性分析的操作方法 467
11.1.3 MWORKS.Sysplorer中模型線性化工具箱的頻率響應的操作方法 469
11.2　MWORKS.Sysplorer中控制系統設計工具箱的使用方法 470
11.2.1 MWORKS.Sysplorer中控制系統設計工具箱簡介 471
11.2.2 MWORKS.Sysplorer中控制系統設計工具箱的使用步驟 472
11.3　MWORKS.Sysplorer中模型試驗工具箱的使用方法 477
11.3.1 MWORKS.Sysplorer中模型試驗工具箱簡介 478
11.3.2 MWORKS.Sysplorer中模型試驗工具箱的參數矩陣的操作方法 481
11.3.3 MWORKS.Sysplorer中模型試驗工具箱的組件選型的操作方法 486
11.3.4 MWORKS.Sysplorer中模型試驗工具箱的圖形對比的操作方法 490
11.4　MWORKS.Sysplorer中參數估計工具箱的使用方法 491
11.4.1 MWORKS.Sysplorer中參數估計工具箱簡介 491
11.4.2 MWORKS.Sysplorer中參數估計工具箱的參數估計的操作方法 493
11.4.3 MWORKS.Sysplorer中參數估計工具箱的參數驗證的操作方法 500
11.4.4 MWORKS.Sysplorer中參數估計工具箱的數據預處理的操作方法 501
11.5　MWORKS.Sysplorer中響應優化工具箱的使用方法 501
11.5.1 MWORKS.Sysplorer中響應優化工具箱簡介 502
11.5.2 MWORKS.Sysplorer中響應優化工具箱的操作方法 503
11.6　MWORKS.Sysplorer中敏感度分析工具箱的使用方法 508
11.6.1 MWORKS.Sysplorer中敏感度分析工具箱簡介 509
11.6.2 MWORKS.Sysplorer中敏感度分析工具箱的操作方法 510
11.7　本章小結 513
11.8　習題 514
12 MWORKS.Sysplorer的聯合仿真實現方法 515
12.1　MWORKS.Sysplorer與MWORKS.Syslab的聯合仿真的調用 515
12.1.1 在MWORKS.Sysplorer中讀取MWORKS.Syslab工作區數據的操作方法 516
12.1.2 MWORKS.Sysplorer中的數據輸出到MWORKS.Syslab工作區的操作方法 518
12.1.3 在MWORKS.Sysplorer中調用MWORKS.Syslab函數對象的操作方法 518
12.1.4 在MWORKS.Syslab中調用MWORKS.Sysplorer任務功能的操作方法 523
12.2　MWORKS.Sysplorer中外部函數的聯合仿真方法 527
12.2.1 MWORKS.Sysplorer中外部函數的調用方法 527
12.2.2 MWORKS.Sysplorer中外部函數編輯器的操作方法 528
12.3　MWORKS.Sysplorer中FMI模型的生成與調用方法 529
12.3.1 FMI標準簡介 530
12.3.2 FMI標準中模型的復用方法 530
12.3.3 MWORKS.Sysplorer中FMU模型的導出方法 537
12.3.4 MWORKS.Sysplorer中FMU模型的導入方法 538
12.4　MWORKS.Sysplorer中仿真模型的發布方法 538
12.4.1 MWORKS.Sysplorer中模型發布的加密等級分類 539
12.4.2 MWORKS.Sysplorer中模型發布的界面操作方法 539
12.4.3 MWORKS.Sysplorer中模型發布的代碼編寫方法 540
12.5　本章小結 540
12.6　習題 541
13 基於MWORKS的控制系統設計綜合應用案例 542
13.1　一階倒立擺控制系統設計 542
13.1.1 一階倒立擺系統被控對象數學模型 542
13.1.2 基於MWORKS.Syslab的一階倒立擺系統的控制律設計 544
13.1.3 基於MWORKS. Sysplorer的一階倒立擺系統的非線性模型的搭建 547
13.1.4 綜合MOWRKS.Syslab與MOWRKS.Sysplorer的一階倒立擺系統的模型仿真分析 549
13.2　四旋翼無人機的路徑跟蹤 551
13.2.1 四旋翼無人機的飛行原理 551
13.2.2 四旋翼無人機的數學模型 554
13.2.3 基於MWORKS的四旋翼無人機建模 559
13.2.4 基於MWORKS的四旋翼無人機的路徑跟蹤的仿真驗證 566
13.3　導彈制導控制回路的仿真驗證 568
13.3.1 導彈制導控制系統的工作原理 569
13.3.2 導彈制導控制系統仿真驗證的數學模型 572
13.3.3 基於MWORKS.Sysplorer的導彈6自由度的仿真驗證 579
13.4　本章小結 590
13.5　習題 590
參考文獻 591