Simulation of Dynamic Systems with MATLAB and Simulink pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Press

作者:Harold Klee

出品人:

页数:762

译者:

出版时间:2007-03-02

价格:USD 134.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781420044188

丛书系列:

图书标签:

• 工程
• Matlab
• 经济学
• programming
• MATLAB
• Simulink
• Dynamic Systems
• Simulation
• Modeling
• Control Systems
• Engineering
• Numerical Methods
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• Automation

《动态系统仿真：原理、方法与应用》 本书旨在为读者提供一个全面而深入的动态系统仿真理论与实践的指南。我们关注的是如何有效地利用计算工具来理解、分析和预测复杂系统的行为。本书并非一本操作手册，而是致力于揭示仿真背后的核心概念、数学原理以及各种建模和求解方法的内在逻辑。通过循序渐进的讲解，读者将能够掌握构建精确、高效仿真模型的能力，并能将其应用于科学研究、工程设计以及问题解决的各个领域。 第一部分：动态系统的基础理论 本部分将为读者打下坚实的理论基础，帮助理解动态系统的本质。 第一章：动态系统的定义与分类 我们将从最基础的概念出发，清晰界定什么是动态系统。讨论系统的状态、输入、输出以及它们之间随时间变化的联系。 深入探讨不同类型的动态系统，包括连续时间系统与离散时间系统，线性系统与非线性系统，确定性系统与随机系统，集中参数系统与分布参数系统。每种分类都将配以具体的例子，例如机械振动系统、电子电路、化学反应器、经济模型等，以帮助读者建立直观的理解。 分析系统建模的关键要素，包括变量的选取、方程的建立以及参数的确定。强调模型精度的重要性以及建模过程中存在的权衡。 第二章：微分方程与差分方程建模 本章将聚焦于动态系统最常用的数学描述工具：微分方程和差分方程。 我们将回顾和讲解一阶、高阶常微分方程的解法，包括解析解法（如特征方程法）和数值解法。 详细介绍如何将物理定律、工程原理转化为数学模型，例如牛顿第二定律在力学系统中的应用，基尔霍夫定律在电路系统中的应用，质量守恒定律在化学或流体系统中的应用。 对于离散时间系统，我们将深入探讨差分方程的建立和求解方法，以及它们在数字信号处理、控制系统等领域的应用。 本章将强调理解方程的物理含义，而非仅仅是数学技巧。 第三章：状态空间表示法 状态空间方法是一种强大且通用的系统描述方式，本章将对其进行全面介绍。 我们将讲解如何从传递函数或微分方程形式转换到状态空间形式，以及状态向量的物理意义。 深入分析线性定常（LTI）系统的状态空间方程，包括状态转移矩阵的计算和性质。 讨论状态空间方法在分析系统稳定性、可控性、可观测性等方面的重要作用。 介绍非线性系统的状态空间表示，以及其带来的挑战和分析方法。 第二部分：动态系统的仿真方法 本部分将转向具体的仿真技术和算法，教授读者如何将理论模型转化为可执行的仿真程序。 第四章：数值积分方法 动态系统的许多模型最终归结为求解常微分方程初值问题。本章将详细介绍各种数值积分方法。 我们将从最简单的欧拉法开始，逐步讲解向前欧拉法、向后欧拉法和改进欧拉法（霍恩法）。 深入阐述龙格-库塔（Runge-Kutta）方法的原理，包括二阶、三阶和经典的四阶龙格-库塔方法。详细分析其精度、稳定性和计算量之间的关系。 讨论隐式积分方法，如向后欧拉法和向后龙格-库塔方法，以及它们在求解刚性方程组时的优势。 介绍其他重要的数值积分算法，如梯形法则、辛普森法则等，并讨论它们各自的适用场景。 本章将重点分析不同数值积分方法在精度、稳定性和计算效率方面的权衡，以及如何根据系统特性选择合适的算法。 第五章：离散事件仿真 不同于连续时间系统，离散事件系统（DES）的演化是由一系列不连续的、在特定时间点发生的事件驱动的。本章将介绍离散事件仿真的核心概念和技术。 我们将定义事件、状态变量、活动、队列等核心术语，并讲解它们在描述DES中的作用。 详细介绍离散事件仿真器的基本结构，包括事件列表、仿真时钟、状态更新机制以及事件处理逻辑。 讨论各种离散事件仿真建模技术，例如基于状态的建模、基于流程的建模和基于对象（Agent-based）的建模。 我们将通过队列模型（如M/M/1队列）、生产线仿真等典型案例，演示如何构建和运行离散事件仿真。 本章将强调理解事件的顺序性和影响，以及如何管理仿真时间。 第六章：基于模型的设计与仿真（Model-Based Design, MBD） MBD是一种现代化的工程设计范式，它将仿真作为整个设计周期的核心。本章将介绍MBD的理念、流程和关键技术。 我们将讲解如何从高层概念模型开始，逐步细化，直至生成可执行的仿真模型。 深入讨论基于模型的设计如何促进早期验证和测试，减少迭代次数，提高产品质量。 介绍如何将仿真模型集成到整个开发流程中，包括需求分析、系统设计、算法开发、嵌入式软件生成和硬件实现。 分析MBD在汽车、航空航天、工业自动化等领域的成功应用案例，并探讨其未来的发展趋势。 第三部分：动态系统仿真在不同领域的应用 本部分将展示动态系统仿真在各个学科和工程领域的具体应用，帮助读者拓展视野，激发创新思维。 第七章：物理系统仿真 力学系统： 详细介绍多体动力学仿真，包括刚体和柔体动力学，接触力学，以及摩擦和阻尼的处理。例如，模拟车辆悬挂系统、机器人运动、飞行器姿态控制等。 电磁系统： 探讨电路仿真、电磁场仿真，以及它们在设计滤波器、天线、功率转换器等方面的应用。 热学与流体系统： 讲解传热仿真、流体动力学（CFD）仿真的基本原理，以及它们在设计散热器、分析管道流动、模拟天气变化等方面的作用。 振动与声学系统： 探讨如何仿真机械振动，分析共振现象，以及模拟声波的传播和耦合。 第八章：控制系统仿真 本章将聚焦于控制系统的设计、分析和验证。 讲解PID控制器、状态反馈控制器、模型预测控制器（MPC）等经典和先进控制算法的仿真实现。 演示如何进行系统稳定性分析（如根轨迹、Bode图、Nyquist图），以及如何通过仿真优化控制器参数。 介绍鲁棒控制和自适应控制的仿真方法，以及它们在处理不确定性和时变系统时的优势。 探讨数字控制系统的仿真，包括采样、量化等对系统性能的影响。 第九章：生物与化学系统仿真 生物系统： 介绍生物信号通路仿真、细胞动力学仿真、疾病传播模型仿真，以及它们在药物研发、基因调控研究中的应用。 化学反应器仿真： 讲解如何建立化学反应动力学模型，分析反应速率、传质传热等因素对反应过程的影响，优化反应器设计。 过程控制仿真： 演示如何对复杂的工业过程进行仿真，例如石油化工、制药等，以优化操作参数，提高生产效率和安全性。 第十章：经济与社会系统仿真 宏观经济模型： 介绍如何利用动态系统模型来分析经济增长、通货膨胀、失业率等宏观经济变量的动态演变。 金融市场仿真： 探讨如何构建金融模型来预测股票价格、分析风险，以及优化投资策略。 交通流仿真： 模拟城市交通网络的运行，分析交通拥堵的原因，评估交通管理策略的效果。 社会动力学模型： 介绍如何模拟人口迁移、信息传播、意见形成等社会现象的动态过程。 第四部分：仿真工具的理性选择与高级主题 本部分将引导读者理性选择仿真工具，并探讨一些更高级的仿真技术。 第十一章：仿真工具的选择与评估 我们将讨论不同类型仿真工具的特点，例如通用型仿真软件、领域专用仿真软件以及编程语言库。 分析选择仿真工具时需要考虑的因素，包括功能需求、易用性、成本、社区支持以及与其他工具的兼容性。 提供评估仿真工具性能的准则，例如求解精度、运行效率、模型可视化能力以及代码生成能力。 本章强调，工具本身是服务于建模和仿真的，关键在于对底层原理的深刻理解。 第十二章：不确定性量化与敏感性分析 现实世界中的系统往往存在各种不确定性，本章将介绍如何量化这些不确定性并分析其对仿真结果的影响。 讲解参数不确定性、模型不确定性以及输入不确定性的表示方法。 详细介绍蒙特卡洛方法及其变种（如拉丁超立方采样）在不确定性量化中的应用。 深入探讨敏感性分析技术，包括局部敏感性分析（如导数法）和全局敏感性分析（如Sobol指数），以识别系统中最重要的参数。 第十三章：模型校准与验证 模型校准： 介绍如何利用实验数据来调整模型参数，以使仿真结果尽可能地接近实际观测。讲解优化算法在模型校准中的作用。 模型验证： 阐述模型验证的重要性，以及如何通过与实验数据、其他模型或理论结果的对比来证明模型的有效性。 讨论不同层级的模型验证方法，以及模型在不同应用场景下的适用性。 第十四章：仿真结果的可视化与分析 本章将关注如何有效地呈现和解读仿真结果。 介绍各种数据可视化技术，包括时间序列图、相平面图、三维曲面图、粒子轨迹图等。 讲解如何利用统计方法对仿真结果进行分析，例如计算均值、方差、置信区间等。 探讨如何通过仿真结果来洞察系统的内在行为，发现潜在的规律和问题。 强调清晰、准确的图表和报告对于沟通仿真结论的重要性。 本书力求在理论深度和实践指导之间取得平衡，旨在培养读者独立思考和解决复杂动态系统问题的能力。通过对本书的学习，读者不仅能够熟练掌握动态系统仿真的各种方法，更能深刻理解仿真在现代科学技术发展中的关键作用。

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这本厚重的教材，光是翻开扉页就让人感受到一股严谨的学术气息。我初次接触它的时候，正值为一门复杂的控制系统课程焦头烂额之际，急需一本能将理论与实践无缝对接的指南。这本书最吸引我的地方在于它对数学模型的建立过程描述得极为透彻，从最基础的微分方程推导，到状态空间表示法的引入，每一步骤都如同庖丁解牛般清晰。作者似乎深谙初学者的困惑，总是能预判到我们会在哪里卡住，并提前给出详尽的注解和算例。例如，在处理非线性系统的李雅普诺夫稳定性分析章节，复杂的符号运算和图形化解释交织在一起，使得原本抽象的数学概念变得触手可及。我花了大量时间在对照书中的例题进行手动推导，那种拨云见雾、豁然开朗的感觉，是单纯观看课堂演示视频所无法比拟的。这本书不仅仅是工具书，更像一位耐心的导师，引导你一步步构建起对动态系统行为的深刻理解，而非仅仅停留在调用函数的表面功夫。它的深度足以支撑研究生阶段的研究需求，但基础部分的铺垫又足够扎实，确保了本科生也能稳步跟进。

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从一个资深工程师的角度来看，这本书的价值在于其横跨了理论物理与工程实现之间的鸿沟。许多教材要么沉溺于抽象的拉普拉斯域分析，要么就只停留在PLC编程层面的开环控制。这本书的亮点在于它系统地介绍了如何进行“模型验证与实测数据对比”的流程。书中提供了一套完整的案例，关于如何从实际采集的传感器数据中反推出系统的传递函数，并将其与理论模型进行对比分析，这在实际的工业升级项目中至关重要。我特别关注了其中关于“鲁棒性分析”的部分，它不仅仅停留在$H_infty$范数计算，而是结合了参数不确定性对系统性能的影响进行Monte Carlo模拟。这种严谨的、面向工程可靠性的论述，使得这本书成为了我案头必备的参考手册。它教会我们如何为系统设计一个“安全边界”，而不是仅仅追求理论上的完美响应。

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我是一位偏向理论研究的学者，对于依赖特定软件环境的教材通常持保留态度。但是，这本书对于MATLAB/Simulink环境的融入处理得相当精妙，它将其定位为“理论的加速器”，而非“思想的替代品”。作者的叙事逻辑是：首先建立严格的数学模型，然后展示如何利用软件工具高效地验证和探索这个模型在不同工况下的行为。举例来说，在讲解脉冲宽度调制（PWM）在电机驱动中的应用时，书中并没有直接展示一个现成的Simulink模块组合，而是引导读者一步步地构建出PWM的信号发生器和驱动电路的非线性模型。这种自底向上的构建过程，极大地强化了我对基础电力电子原理的理解，远胜于直接拖拽一个Black Box模块。这种对“原理复现”的坚持，使得即便未来我转向使用其他仿真平台，书中所传授的设计理念依然能够牢固地指导我的工作。

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坦白讲，这本书的排版和部分图示的清晰度初期给我带来了一些挑战。有些流程图的层次感略显拥挤，尤其是在涉及到多输入多输出（MIMO）系统结构框图时，需要花费额外的精力去追踪信号的流向。不过，一旦你适应了这种略显传统的学术风格，它的内容深度便会展现出无与伦比的价值。我对它在处理“时滞系统”那一节的处理方式赞不绝口。时滞往往是控制工程中的一个棘手问题，书中不仅介绍了经典的史密斯预估器，还用非常直观的方式解释了柯西积分定理在分析时滞系统闭环稳定性时的应用，这在其他同类书籍中是极为罕见的。我记得有一次，我在处理一个远距离通信系统的仿真延迟时遇到了收敛问题，翻阅到这一章后，对照着书中的频域分析方法，我很快定位到是因为相角裕度不足引起的振荡，而不是简单的参数设定错误。这本书的价值在于它提供的解决问题的“思维工具箱”，而不是一次性的“快捷键”。

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说实话，我原本对手册性质的工程类书籍期望值不高，通常这类书要么过于理论化晦涩难懂，要么就是流于表面，堆砌API文档。然而，这本书成功地在两者之间找到了一个完美的平衡点。我尤其欣赏它在实际应用案例上的选择，它们覆盖了机械振动、电力电子和化学过程控制等多个领域，展现了动态系统思维的普适性。最让我印象深刻的是其中关于“参数辨识”的那一章。它没有简单地介绍工具箱的使用，而是深入探讨了辨识模型的结构选择、噪声对估计精度的影响，以及如何通过残差分析来验证模型的有效性。这种对工程实践中“坑”的预警，比单纯的成功案例分享更有价值。在我的毕业设计中，正是参考了书中关于“模型简化与降阶”的章节，才得以将一个高阶复杂的模型优化到既能满足实时仿真要求，又不失核心动态特性的实用水平。它教会我的不是如何‘跑’出一个仿真结果，而是如何对这个结果的‘合理性’进行批判性思考。

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