系统建模与仿真·第2版/全国高等学校自动化专业系列教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张晓华 著

图书标签:

• 系统建模
• 系统仿真
• 自动化
• 控制工程
• 数学建模
• 高等教育
• 教材
• 第2版
• 仿真技术
• 模型分析

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302422822

版次：1

商品编码：11873052

品牌：清华大学

包装：平装

丛书名： 全国高等学校自动化专业系列教材

开本：16开

出版时间：2015-12-01

用纸：胶版纸

编辑推荐

系统建模内容丰富。包括“一阶直线倒立摆/自平衡式两轮电动车”、“水箱液位控制/水轮发电机组”、“直流电动机/PWM整流器”等10余个工程案例。

“虚拟样机”与“实物/半实物仿真技术”内容新颖。系统地阐述了虚拟样机建模方法、MATLAB-ADAMS联合仿真技术，以及实物/半实物仿真技术应用案例。

倡导“启发与探究式”教学模式。每章均设立“问题与探究”一节，内含有相关“参考文献”与“网上资源”，为读者提供一个畅想与实践的空间。

内容简介

　　本书以MATLAB语言为平台，以工程案例教学为特色，系统地阐述了系统建模与仿真技术的基本概念、原理与方法，涉及运动控制、过程控制、电力电子与电力传动控制领域的系统建模、控制器设计与仿真实验等内容。全书共分5章，主要包括：概述、系统建模与分析、控制系统设计与仿真、虚拟样机技术与应用、实物/半实物仿真技术与应用；书中配有练习型、分析/设计型、探究型习题，有助于激发读者的兴趣和进一步领会与掌握自动化领域相关课程内容。本书系高等学校自动化专业本科生用教材，也可作为电气工程及其自动化、机械电子工程/机械设计制造及其自动化等专业本科生（或研究生）“仿真技术”类课程的教学用书。

目录

第1章概述

1.1系统的实验研究方法

1.2仿真实验的分类

1.3相似性原理

1.4系统、模型与数字仿真

1.5仿真技术的应用

1.5.1控制系统CAD

1.5.2虚拟现实

1.5.3工程应用

1.5.4几种常用的数字仿真工具软件

1.6仿真技术的发展与展望

1.7问题与探究——投针实验

本章小结

习题

参考文献

第2章系统建模与分析

2.1控制系统的数学模型

2.2系统建模概述

2.3系统建模方法

2.4模型验证

2.5系统建模实例

2.5.1独轮自行车实物仿真问题

2.5.2龙门吊车运动控制问题

2.5.3水箱液位控制问题

2.5.4燃煤热水锅炉控制问题

2.5.5直流电动机转速控制问题

2.5.6三相电压型PWM整流器系统控制问题

2.6问题与探究——水轮发电机系统的线性化模型

本章小结

习题

参考文献

第3章控制系统设计与仿真

3.1直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计

3.2一阶直线倒立摆系统的双闭环PID控制方案

3.3龙门吊车重物防摆的鲁棒PID控制方案

3.4自平衡式两轮电动车直行与转向复合控制系统设计

3.5龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案

3.6一阶直线双倒立摆系统的可控性研究

3.7基于经典频域法的DC/DC变换器控制方案

3.8三相电压型PWM整流器的高功率因数控制方案

3.9问题与探究——灵长类仿生机器人运动控制研究

本章小结

习题

参考文献

第4章虚拟样机技术与应用

4.1概述

4.2虚拟样机技术的形成、发展和应用

4.3一阶直线倒立摆的虚拟样机

4.4问题与探究——球棒系统的虚拟样机研究

本章小结

参考文献

第5章实物/半实物仿真技术与应用

5.1概述

5.2半实物仿真技术应用

5.2.1基于TORA的土木结构减振控制技术

5.2.2基于TORA的土木结构减振控制系统设计

5.2.3基于dSPACE半实物仿真技术的控制系统实现

5.3实物仿真技术应用

5.3.1龙门吊车实物仿真系统

5.3.2实物仿真系统的电气控制平台

5.3.3实物仿真实验

5.4问题与探究——独轮自行车实物仿真

本章小结

参考文献

前言/序言

系统建模与仿真·第2版/全国高等学校自动化专业系列教材

探索复杂系统的奥秘：一本关于方法论、工具与实践的深度剖析 本书并非聚焦于特定的教材内容，而是深入探讨现代科学与工程领域中至关重要的一个方面——系统建模与仿真。它旨在揭示如何将庞杂、动态且常常难以直接观测的现实世界系统，通过抽象、离散的数学模型进行刻画，并借助计算工具对其行为进行模拟预测，从而更好地理解、分析、设计和优化这些系统。 核心理念的阐释： 本书将从系统建模的哲学和方法论层面展开。我们将首先深入理解“系统”这一概念的内涵，如何界定系统的边界、识别其关键要素、揭示各要素之间的相互作用，以及如何将系统置于其所处的更宏观的环境中进行考察。在此基础上，我们会探讨不同层次的抽象化策略，从高层次的功能描述到低层次的物理实现，讲解如何根据研究的目的和精度要求，选择恰当的模型粒度。 建模的艺术与科学： 本书将系统地介绍各种主流的建模方法。这并非简单地罗列模型类型，而是阐述每种方法背后的原理、适用范围、优缺点以及构建过程。例如，我们将深入剖析： 数学方程模型： 如何利用微分方程、差分方程、代数方程等来描述系统的动态演化和稳态特性，尤其是在物理、化学、生物等领域。 状态空间模型： 如何用一组状态变量来概括系统的内在信息，并研究其稳定性、可控性与可观性。 逻辑与规则模型： 如何用逻辑推理、 IF-THEN 规则等来描述决策过程、控制逻辑以及具有离散行为的系统，例如在人工智能、专家系统等领域。 离散事件模型： 如何通过模拟一系列在时间上离散发生的事件来刻画系统的行为，常用于排队论、生产调度、通信网络等场景。 基于代理的模型（Agent-Based Modeling）： 如何通过定义独立自主的“代理”及其交互规则来模拟涌现出的宏观行为，适用于社会科学、经济学、生态学等复杂系统。 混合系统模型： 如何将不同类型的模型融合，以应对现实世界中同时存在连续和离散行为的复杂系统。 本书还会强调模型验证与确认（V&V）的重要性。我们将详细讲解如何通过与真实世界数据进行对比、专家评审、敏感性分析等方法，确保模型的准确性和有效性，使其真正成为理解和预测系统的可靠工具。 仿真的实践与技术： 建模的最终目的是为了仿真。本书将深入探讨仿真技术的各个方面，包括： 仿真软件与工具： 介绍当前广泛应用的仿真平台和语言，如MATLAB/Simulink、Arena、AnyLogic、Python的SciPy/NumPy库等，并分析它们在不同建模场景下的优势。 仿真算法与实现： 讲解数值积分方法、离散事件仿真引擎、蒙特卡洛方法等核心仿真算法的原理和实现细节。 仿真实验设计： 如何科学地设计仿真实验，包括参数选取、运行次数、数据采集等，以获得有意义的仿真结果。 结果分析与解释： 介绍数据可视化技术、统计分析方法，以及如何从仿真结果中提炼出有价值的洞察，并将其转化为改进系统设计的依据。 可视化技术： 强调如何利用图表、动画等可视化手段，直观地展示仿真过程和结果，增强理解的深度和广度。 跨领域应用与案例研究： 本书的价值在于其广泛的适用性。我们将通过一系列精心挑选的跨领域案例研究，展示系统建模与仿真在不同学科和工程实践中的强大威力。这些案例可能涵盖： 工程领域： 飞机飞行控制系统的稳定性分析、电力系统的负载预测与调度、机械设备的动态性能评估、机器人路径规划等。 科学领域： 气候变化模型、传染病传播动力学、生态系统演化模拟、天体物理过程的模拟等。 经济与社会领域： 金融市场的风险建模、城市交通流仿真、社会群体行为分析、供应链优化等。 通过对这些案例的深入剖析，读者将能够理解如何将抽象的建模与仿真技术，转化为解决实际问题的有力工具，培养系统性思维和解决复杂问题的能力。 目标读者： 本书适合任何对理解和操纵复杂系统感兴趣的读者。这包括但不限于： 自动化、控制、电气工程、机械工程、计算机科学等相关专业的本科生和研究生。 从事系统分析、系统设计、产品开发、工艺优化等工作的工程师和技术人员。 对科学研究方法论和计算科学有浓厚兴趣的科研人员。 希望提升自身解决复杂问题能力的跨学科学习者。 本书将引导读者超越表面的现象，深入事物的本质，掌握驾驭复杂系统的理论框架和实践技能，为他们在日益复杂的世界中做出明智决策提供坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本《系统建模与仿真·第2版》在内容编排上，我认为最大的亮点在于它对于不同建模方法的递进式讲解。一开始，它从最基础的描述性模型入手，比如利用函数关系来刻画系统的静态特征，然后逐步过渡到动态模型，包括了微分方程模型、状态空间模型等，这些都是理解系统行为随时间变化的关键。我记得当时学习微分方程模型的时候，作者并没有直接给出复杂的求解方法，而是先从一阶、二阶系统入手，逐步分析其响应特性，比如过阻尼、临界阻尼、欠阻尼等等，并通过图示直观地展示了不同阻尼系数对系统响应曲线的影响。这一点让我印象深刻，因为很多教材在这部分可能会直接给出解题公式，而这本书更注重对概念的理解和直观感受。接着，它又介绍了基于事件的离散系统建模，这在处理排队论、流程仿真等问题时非常有用。它对不同方法的适用场景和优缺点都有详细的阐述，帮助读者在面对实际问题时，能够选择最合适的建模工具。而且，书中还穿插了一些关于模型选择的指导原则，比如在精度、计算复杂度、可解释性之间的权衡，这对于培养学生的工程思维非常重要。不仅仅是罗列方法，这本书更注重教会读者如何思考，如何根据具体需求来构建模型。

评分☆☆☆☆☆

这本书对于我来说，不仅仅是一本教材，更像是一位循循善诱的老师。我之所以这么说，是因为它在讲解过程中，非常注重引导读者进行思考。它不会直接给出所有问题的答案，而是通过提出一些启发性的问题，鼓励读者去探索和发现。比如，在介绍不同仿真算法的优缺点时，它可能会问“在什么情况下，欧拉法比龙格-库塔法更适合？”或者“当系统的参数发生变化时，我们应该如何调整仿真步长？”这些问题能够激发读者的主动性和批判性思维，让他们不再是被动地接受知识，而是主动地去理解和掌握知识。而且，书中很多地方都强调了模型的局限性和仿真的不确定性，这是一种非常重要的工程伦理观。它教会我们要理性看待建模和仿真的结果，认识到它们只是对现实世界的近似，并不能完全取代实际的实验和验证。这种教育理念，对于培养严谨的工程人才至关重要。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，特别是“系统建模与仿真·第2版”这几个字，采用了比较经典的字体，搭配着淡淡的书脊颜色，整体给人一种严谨、学术的质感，非常符合理工科教材的定位。我是在大三下学期选修这门课的时候，在书店里偶然翻到它的。当时我还在纠结是买这本还是另一本国外翻译过来的教材，但翻看了几页后，我立刻被这本书的逻辑清晰和条理分明所吸引。尤其是它对基本概念的引入，没有上来就抛出复杂的数学公式，而是先用通俗易懂的语言解释了系统、模型、仿真的基本概念，以及它们在工程实践中的重要性。这一点对于初学者来说非常友好，能够快速建立起对整个学科的基本认知框架，不会因为一开始的理论门槛过高而产生畏难情绪。而且，这本书在讲解过程中，还穿插了不少实际的案例分析，比如工业自动化中的流程模拟，或者交通系统的动态行为预测，这些案例都非常贴近实际应用，让枯燥的理论变得生动起来，也让我对接下来的学习内容充满了期待。书中的图表和示意图也制作得很精良，很多复杂的系统结构和仿真流程都通过清晰的图示得到了很好的展现，这对于理解抽象的概念非常有帮助。总的来说，从封面设计到内容排版，再到案例的选择，这本书都体现了编者在教学和传播知识方面的用心良苦。

评分☆☆☆☆☆

从阅读的流畅度和可读性来说，这本书真的做得非常出色。我一直觉得理工科教材，尤其是涉及数学和工程的，很容易写得晦涩难懂，但这本书在这一点上做得非常成功。语言表达清晰，逻辑性强，即使是第一次接触系统建模和仿真的读者，也能循序渐进地理解。作者在组织章节时，也考虑到了知识的连贯性，每个章节的内容都建立在前一章节的基础上，使得学习过程更加顺畅。我特别喜欢它在解释新概念时，经常会引用一些生动形象的比喻，或者联系生活中的实际例子，这使得抽象的概念变得触手可及，也更容易被记住。比如，在讲解反馈控制时，作者可能会用恒温器控制室内温度的例子，或者汽车巡航控制的例子，这些都大大增强了书的可读性和趣味性。书中的例题也非常典型，涵盖了教材中讲解的各种知识点，并且提供了详细的解题步骤和分析，这对于巩固和检验学习效果非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

关于这本书在案例研究方面的深度，我认为是它的一大特色。除了之前提到的工业自动化和交通系统，书中还涉及到了其他一些领域，比如电力系统、生物医学工程，甚至是一些社会经济系统的建模与仿真。这些案例的选择都非常有代表性，能够展示系统建模与仿真技术在不同学科领域的广泛应用。而且，对于每一个案例，书中都会详细地分析问题的背景，提出建模的目标，选择合适的建模方法，然后介绍如何进行仿真和分析。这不仅仅是一个简单的案例展示，更像是一个完整的工程问题解决过程的演示。我记得其中有一个关于环境保护的案例，利用仿真来预测污染物扩散的范围和影响，让我对建模技术在应对现实挑战中的强大作用有了更直观的认识。这种深入的案例分析，能够极大地拓展读者的视野，激发他们将所学知识应用到自己感兴趣的领域。

评分☆☆☆☆☆

这本书在数学工具的应用方面，我觉得处理得恰到好处。它没有回避必要的数学推导，但也没有过度追求形式上的严谨而忽略了工程的直观理解。在讲解过程中，它会适时地引入一些必要的数学概念，比如傅里叶变换、拉普拉斯变换等，并解释它们在系统分析中的作用。我记得在讲到频率响应分析时，它用很直观的方式解释了如何通过频率特性来理解系统对不同频率输入信号的响应，以及如何通过伯德图等工具来分析系统的稳定性和性能。而且，对于一些比较复杂的数学证明，作者通常会提供一个简化的推导过程，或者直接给出结论，然后重点放在解释结论的物理意义和工程含义上。这种处理方式，使得即使数学基础不是非常扎实的同学，也能够理解其核心思想，并将其应用到实际问题中。书中还提供了一些常用的数学公式和变换的表格，方便读者查阅和使用，这在学习过程中是非常实用的。

评分☆☆☆☆☆

在本书的章节安排上，我个人认为有一个非常显著的优点，就是它将模型和仿真这两个紧密相关的概念在结构上进行了合理的融合。很多教材可能会将模型构建和仿真技术完全割裂开来，导致学生在学习时，感觉模型构建只是理论上的推导，而仿真只是一个独立的工具。但这本书不同，它在讲解某一种建模方法时，往往会紧跟着介绍如何利用仿真技术来实现这种模型，以及如何分析仿真结果。比如，在讲到状态空间模型时，书中会立刻跟上如何用数值方法求解状态方程，以及如何通过仿真来观察系统的瞬态响应和稳态行为。这种“建模-仿真-分析”的一体化处理方式，让学习者能够更早地、更深入地理解理论与实践相结合的重要性，也更容易将学到的知识转化为解决实际问题的能力。这种紧密的联系，也让我觉得这本书更加注重培养学生的工程实践能力，而不仅仅是理论知识的灌输。

评分☆☆☆☆☆

在仿真部分，这本书的处理方式也让我觉得非常实用。它并没有仅仅停留在理论层面，而是花了不少篇幅介绍各种仿真技术的原理和实现细节。我印象最深刻的是它对蒙特卡洛仿真的讲解，它不仅阐述了核心思想，还通过具体的例子，比如计算圆周率或者模拟射击精度，来展示蒙特卡洛方法如何通过大量的随机抽样来近似求解复杂问题。书中还介绍了如何设计仿真实验，包括了参数的设置、运行次数的确定、以及结果的统计分析。这一点对于确保仿真结果的可靠性和有效性至关重要。此外，这本书还对几种常用的仿真软件的特点和基本操作进行了简要介绍，虽然没有深入到某个特定软件的编程细节，但足以让读者对这些工具有一个初步的了解，知道它们在实际工程中是如何应用的。这对于初学者来说，能够极大地降低接触和使用仿真软件的门槛。书中的一些仿真流程图也非常清晰，能够帮助读者一步步理解仿真的整个过程，从模型构建到参数设定，再到运行和结果分析。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受是它成功地将一个可能显得枯燥且抽象的学科，变得生动有趣且具有实际操作性。它不是一本让你死记硬背公式的书，而是一本能够激发你思考、引导你实践的书。它教会了我如何去理解一个复杂的系统，如何用抽象的数学模型来描述它，又如何通过仿真来预测它的行为。这本书让我明白了，系统建模与仿真不仅仅是计算机上的操作，更是一种解决工程问题的思维方式和方法论。它在我后续的学习和科研过程中，起到了奠基性的作用，让我能够更自信地去面对各种复杂的工程挑战。书中的内容，即使在毕业多年后，仍然能够在我解决实际问题时提供宝贵的思路和借鉴。我非常庆幸自己能够通过这本书，建立起对系统建模与仿真学科的系统认识。

评分☆☆☆☆☆

在细节处理上，这本书也体现出了极高的专业水准。比如，在讲解一些算法的收敛性或稳定性分析时，作者会给出必要的数学条件，并对其进行解释。对于一些关键的仿真参数，比如采样频率、离散化步长等，书中也会详细说明它们对仿真结果的影响，以及如何进行选择。另外，书中在参考文献和术语索引方面也做得非常完善，为读者提供了进一步深入学习的资源，也方便了对书中出现的专业术语进行查阅。我经常会在学习过程中，查阅书后的术语表，来加深对一些概念的理解。这种细致入微的处理，不仅提升了本书的学术价值，也极大地便利了读者的学习过程。它传递出一种严谨治学的态度，也让读者在学习的过程中，能够感受到知识的深度和广度。