系统仿真基础教程（基于Python语言）

本书介绍系统仿真基础内容的算法原理和程序实现，包括系统的各种数学模型表示和相互转换、连续时间系统的数值积分法仿真、模型离散化方法和离散时间系统仿真、采样控制系统仿真等。本书使用Python编程实现书中介绍的各种算法和示例，主要用到NumPy、SciPy、Matplotlib和python-control等第三方包。所有的示例都给出了Python程序实现，通过理论与程序结合的方法演示算法原理和仿真效果，使读者掌握用Python编写系统仿真程序的方法。 　　阅读本书需要先掌握自动控制原理、现代控制理论、信号与系统等课程的基础知识。本书可作为高等院校系统仿真相关课程的教材，也可供想要了解如何使用Python进行动态系统仿真的读者参考。

盛立，博士，中国石油大学（华东）控制科学与工程学院教授、博导、山东省优青、山东省泰山学者青年专家。从事动态系统的控制、滤波与故障诊断等方面的研究。主持国家级项目 4 项，以第一完成人获得省部级科研奖励 3 项；发表高水平论文 100 余篇，出版学术专著1 部；授权国家发明专利 15 项。 高明，博士，中国石油大学（华东）控制科学与工程学院教授、博导。从事系统的故障诊断与容错控制等方面的研究。主持国家自然科学基金项目 4 项；发表高水平论文 40 篇；授权国家发明专利10 项。 王维波，博士，中国石油大学（华东）控制科学与工程学院讲师。从事仪器仪表、嵌入式系统开发方面的教学 和 研 究。 发表论文20余篇，出版《STM32Cube高效开发教程（基础篇）》和《STM32Cube高效开发教程（高级篇）》等专业教材 5 部。

第 1章 系统仿真概述　1 1.1 系统和模型　1 1.1.1 系统　1 1.1.2 系统的模型　2 1.2 系统仿真　3 1.2.1 系统仿真的定义　3 1.2.2 系统仿真的作用　5 1.2.3 系统仿真的基本原则　5 1.2.4 系统仿真的类型　7 1.2.5 系统仿真的软件实现　9 1.2.6 系统仿真的应用　10 1.3 系统仿真技术发展前沿　12 1.3.1 仿真技术难点和研究方向　12 1.3.2 仿真相关新兴技术　13 练习题　16 第 2章 Python编程基础　17 2.1 Anaconda的安装和使用　17 2.1.1 Anaconda的安装　17 2.1.2 Anaconda Navigator的界面和功能　19 2.1.3 在Anaconda Navigator中管理环境　24 2.1.4 在Anaconda Navigator中管理包　26 2.1.5 conda命令的使用　28 2.1.6 本书程序运行环境的建立　32 2.2 JupyterLab的基本使用　33 2.2.1 JupyterLab的界面组成　33 2.2.2 Notebook文件编辑和运行　39 2.2.3 Notebook文件程序调试　41 2.3 Python基础　44 2.3.1 Python的特点　44 2.3.2 Python的基本规则　44 2.3.3 基本数据类型和运算符　45 2.3.4 序列数据类型　48 2.3.5 集合数据类型　51 2.3.6 逻辑运算与条件语句　53 2.3.7 循环语句　54 2.4 Python的函数式编程　56 2.4.1 函数的定义和使用　56 2.4.2 函数定义中的可变位置参数*args　58 2.4.3 函数定义中的可变关键字参数**kwargs　60 2.4.4 函数定义中同时使用可变参数*args和**kwargs　61 2.4.5 使用Python内置函数和标准库中的函数　62 2.4.6 使用第三方的包和模块　65 2.5 Python的面向对象编程　67 2.5.1 类的定义和主要组成部分　67 2.5.2 类的继承　69 练习题　71 第3章 科学计算和数据可视化基础　72 3.1 NumPy　72 3.1.1 数组的创建和常用属性　72 3.1.2 其他创建数组的函数　75 3.1.3 数组的索引和切片　79 3.1.4 数组的拼接　81 3.1.5 数组计算与广播　82 3.2 SciPy　83 3.2.1 SciPy功能简介　84 3.2.2 线性代数计算　84 3.2.3 系统模型表示和仿真　87 3.3 Matplotlib　91 3.3.1 基本绘图示例　91 3.3.2 图的主要组成元素　96 3.3.3 绘图的一些常用功能　98 3.3.4 常见类型的图形绘制　103 练习题　109 第4章 python-control概述　111 4.1 python-control简介　111 4.1.1 python-control的安装　111 4.1.2 python-control的主要功能　112 4.2 python-control中主要的类和函数　112 4.2.1 python-control中主要的类　113 4.2.2 python-control中主要的函数　115 练习题　119 第5章 连续时间系统的模型　120 5.1 连续时间系统的模型概述　120 5.1.1 常微分方程模型　120 5.1.2 传递函数模型　121 5.1.3 传递函数模型的程序表示　121 5.1.4 脉冲响应函数模型　125 5.1.5 状态空间模型　126 5.1.6 状态空间模型的程序表示　127 5.1.7 I/O模型的表示　131 5.2 连续时间系统的模型转换　136 5.2.1 传递函数的不同表示形式　137 5.2.2 传递函数的实现问题　139 5.2.3 传递函数无零点时的实现　140 5.2.4 传递函数有零点时的实现　142 5.2.5 状态变量的线性变换　146 5.2.6 状态空间模型的若尔当 标准型　147 5.2.7 传递函数到状态空间模型 转换的相关函数　149 5.2.8 最小实现　154 5.2.9 从状态空间模型求传递 函数　156 5.3 非线性状态空间模型的线性化　158 5.3.1 线性化原理　158 5.3.2 模型线性化的相关函数　160 5.4 结构图模型　163 5.4.1 一阶环节的状态空间模型　163 5.4.2 二阶环节的分解　164 5.4.3 结构图的状态空间模型　164 5.4.4 结构图的程序化建模方法　168 5.4.5 面向结构图的互联系统建模方法　174 练习题　179 第6章 连续时间系统数值积分法仿真　182 6.1 系统的时域响应　182 6.1.1 典型输入信号　182 6.1.2 系统响应的解析解　183 6.1.3 一般系统的输入响应仿真计算　186 6.2 数值积分法基本原理　195 6.2.1 数值积分法基本原理　195 6.2.2 欧拉法　196 6.2.3 预估-校正法　201 6.3 龙格-库塔法　201 6.3.1 二阶龙格-库塔法（RK2法）　201 6.3.2 四阶龙格-库塔法（RK4法）　205 6.3.3 几种数值积分算法的总结　205 6.3.4 RK4法仿真编程　207 6.4 龙格-库塔法的误差估计与步长控制　210 6.4.1 龙格-库塔法的误差估计　211 6.4.2 步长控制　213 6.4.3 变步长仿真示例　214 6.5 算法稳定性分析　217 6.5.1 算法稳定性分析原理　217 6.5.2 算法稳定性仿真示例　219 6.6 面向结构图的连续时间系统仿真　222 6.6.1 全LTI环节的结构图的建模与仿真　222 6.6.2 带有非线性环节的结构图模型仿真　227 练习题　230 第7章 时域模型的离散化和仿真　232 7.1 离散时间系统的模型　232 7.1.1 差分方程　232 7.1.2 脉冲传递函数　233 7.1.3 权序列　236 7.1.4 离散时间状态空间模型　236 7.1.5 离散时间模型的仿真计算　239 7.2 时域离散相似法　242 7.2.1 连续时间LTI系统的解　242 7.2.2 连续时间LTI系统解的离散化　243 7.2.3 状态转移矩阵的计算　246 7.2.4 增广矩阵法　253 7.3 面向结构图的模型离散化和 仿真　256 7.3.1 典型线性环节的离散化模型　257 7.3.2 典型非线性环节　259 7.3.3 结构图的模型离散化和 仿真方法　260 7.3.4 结构图模型离散化与仿真示例　261 练习题　270 第8章 传递函数模型的离散化和仿真　272 8.1 替换法　272 8.1.1 替换法的原理和几种 形式　272 8.1.2 双线性变换的特性　274 8.1.3 双线性变换和频域分析相关函数　276 8.2 根匹配法　282 8.2.1 根匹配法原理　282 8.2.2 根匹配法计算示例　283 8.3 频域离散相似法　287 8.3.1 频域离散相似法原理　287 8.3.2 频域离散相似法应用示例　288 8.3.3 带补偿的离散相似法　291 练习题　296 第9章 采样控制系统仿真　297 9.1 采样控制系统　297 9.1.1 采样控制系统的结构　297 9.1.2 采样控制系统的数学模型　298 9.1.3 采样周期与仿真步长的关系　299 9.2 采样控制系统数字控制器设计　300 9.2.1 不同采样周期下的控制器模型转换　300 9.2.2 PID控制算法　302 9.2.3 无稳态误差最小拍控制器设计　303 9.2.4 采样控制系统仿真示例　305 9.3 带纯延迟环节的系统的仿真　310 9.3.1 纯延迟环节的仿真模型　310 9.3.2 带纯延迟环节的采样控制系统仿真示例　312 练习题　315 附录A 计算误差基本原理　317 A.1 舍入误差　317 A.2 截断误差　318 附录B 常用函数的S变换和Z变换　320 附录C 缩略词　321 参考文献　322