流體傳動與控制系統計算機仿真（簡體書）

本書全面系統地介紹了流體傳動與控制系統仿真的理論和方法。內容包括流體力學的基礎知識、MATLAB軟件的操作方法、古典控制理論、常用數值計算方法、Simulink仿真基礎、液壓PLC技術基礎和常用液壓元件及系統的建模方法。為了學以致用，在介紹基礎理論的同時，還介紹了詳細的建模操作步驟。

梁全，瀋陽工業大學機械工程學院教師，主要從事教學和科研工作，研究方向為"流體傳動與控制”、"數控技術”，曾獲瀋陽工業大學教師授課大賽優秀獎。

前 言
本書的寫作目的是為了總結液壓系統計算機仿真中的關鍵技術，在寫作過程中，並沒有僅僅局限在“液壓”仿真方面，而是包含了“氣動”、“機電控制”等相關內容，所以最終本書的命名為《流體傳動與控制系統計算機仿真》。之所以命名為“流體”，是因為本書不僅包含“液壓”、也包含“氣動”；之所以命名為“傳動與控制”，說明本書不僅包括“傳動”系統的仿真，也包括“控制”系統的仿真。
“仿真”這一名詞在計算機剛剛誕生時，是一個十分時髦的詞匯，那時如果什麼東西能和計算機搭上邊，都會顯得高深莫測，新穎別致。隨著時代的進步和發展，“仿真”這一詞被濫用了，漸漸的人們把“仿真”和“不實際”、“不準確”、“不現實”聯繫在一起，使仿真脫離了其本質。本書的寫作目的中很重要的一條，是希望能夠還原仿真的本質。
按百度百科中對仿真的定義，仿真應該是利用模型複現實際系統中發生的本質過程，並通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統，又稱模擬。這句話基本說清了仿真的本質。筆者認為，仿真有兩個直接的目的：一個是分析現有系統；一個是輔助設計新系統。仿真是在實際系統不存在時，就能在一定程度上對其進行瞭解、研究。試想，價格昂貴、搭建費時費力的傳動系統，借助仿真就可以在一台小小的個人計算機上運行，在還沒有搭建實際的系統時，就能夠對將來要發生的事情做出規劃和預測，那將在多大程度上節省金錢和時間呀！所以同學們在學習本門課程時，任何時候都應該把握住仿真的本質，不能主次顛倒、本末倒置，時刻要記住，仿真不是目的而是手段。
計算機仿真離不開軟件，本門課程採用的仿真軟件是MATLAB。之所以採用這個軟件，是因為該軟件能闡明仿真本質。該軟件既能進行“功能仿真”，就是說擅長把液壓、氣動回路的功能在沒有構建系統時，就能夠比較清晰地展示給用戶；又能夠“性能仿真”，就是說擅長深入系統內部，回答用戶對系統性能探求的好奇心，是更高級的仿真。
另外，本書還在國內首次介紹了在MATLAB環境下對PLC系統進行仿真的方法，
本書共分8章。第1章介紹了液壓系統常見的仿真的方法；第2章介紹了液壓流體力學基礎；第3章介紹MATLAB軟件的基本操作技術；第4章介紹了古典控制理論基礎；第5章介紹常用的數值計算方法及MATLAB數值計算函數；第6章為Simulink仿真基礎；第7章為液壓PLC技術基礎；第8章介紹常用液壓元件及系統的建模方法。其中第5章由瀋陽工業大學劉慧芳老師撰寫，第3章由瀋陽工業大學徐威老師撰寫，其餘章節和最終統稿由瀋陽工業大學梁全老師完成。
最後，還要回到仿真的本質上來，雖然筆者在寫作的過程中試圖還原仿真的本質，但是由於水平有限，可能沒有達到希望的目的，懇請讀者在學習使用的過程中批評指正，使本書日趨完美。

作 者
2017年7月6日

目 錄
前言 III
第1章 液壓系統常見的仿真方法 1
1.1 動態系統的計算機仿真 1
1.1.1 系統與模型 1
1.1.2 計算機仿真 1
1.2 仿真的三要素 2
1.3 常見的仿真方法 2
1.3.1 傳遞函數法 3
1.3.2 功率鍵合圖法 3
1.3.3 節點容腔法 3
1.4 系統按數學模型分類 4
1.4.1 線性系統 4
1.4.2 非線性系統 4
1.5 控制系統的線性化數學模型 5
課後題 7
第2章 液壓流體力學基礎 8
2.1 流體的主要物理性質 8
2.1.1 密度和重度 8
2.1.2 可壓縮性 8
2.1.3 黏性 9
2.2 液體靜力學 9
2.2.1 液體靜壓力及其特性 9
2.2.2 帕斯卡原理 10
2.3 液體動力學 10
2.3.1 連續性方程 10
2.3.2 伯努利方程（能量方程） 10
2.3.3 動量方程 10
2.4 阻力計算 11
2.4.1 管路中流體流動的兩種狀態 11
2.4.2 圓管層流 11
2.4.3 圓管紊流 11
2.5 孔口出流及縫隙流動 12
2.5.1 孔口出流 12
2.5.2 縫隙流動 12
課後題 14
第3章 MATLAB簡介 15
3.1 MATLAB計算及仿真基礎 16
3.1.1 MATLAB桌面操作環境 16
3.2 MATLAB數值計算 22
3.2.1 MATLAB數值類型 22
3.2.2 MATLAB變量的初始化 24
3.2.3 多維數組 26
3.2.4 標量運算和數組運算 26
3.3 符號運算 28
3.4 MATLAB常用繪圖命令 30
3.5 MATLAB程序設計 31
3.5.1 MATLAB程序類型 31
3.5.2 偽代碼的應用 33
3.5.3 關係運算符和邏輯運算符 34
3.5.4 MATLAB程序流程控制 36
3.5.5 自定義函數 44
3.5.6 MATLAB函數編寫方法與應用 47
課後題 48
第4章 古典控制理論基礎 49
4.1 複數與複變函數 49
4.1.1 定義 49
4.1.2 表示方法 49
4.1.3 複數的四則運算 50
4.1.4 複變函數 50
4.2 拉普拉斯變換 51
4.2.1 定義 51
4.2.2 典型時間函數的拉普拉斯變換 51
4.2.3 拉氏變換的性質 53
4.2.4 拉普拉斯反變換 54
4.2.5 MATLAB中的拉氏變換 55
4.3 動態過程的傳遞函數描述 56
4.4 系統模型的連接 58
4.4.1 模型串聯 58
4.4.2 模型並聯 58
4.4.3 反饋連接 58
4.5 MATLAB/Simulink在時域分析中的應用 58
4.5.1 時域分析中MATLAB函數的應用 59
4.5.2 時域響應性能指標求取 61
4.6 系統誤差分析與計算 64
4.6.1 系統的誤差與偏差 65
4.6.2 系統的穩態誤差與穩態偏差 65
4.6.3 誤差的一般計算 66
4.7 控制系統的頻率特性 67
4.7.1 頻率響應 67
4.7.2 頻率特性的求法 68
4.7.3 頻率特性的伯德圖 68
4.8 利用MATLAB繪製控制系統的頻率特性 69
4.9 Routh判據 72
4.10 頻率法的穩定性分析 73
4.10.1 穩定判據 73
4.10.2 穩定裕度 73
4.10.3 相位裕度 73
4.10.4 幅值裕度 73
課後題 75
第5章 常用的數值計算方法及 MATLAB數值計算函數 77
5.1 非線性方程（組）的數值解法 77
5.2 微分方程的數值計算 78
5.3 常微分方程的解析解法 78
5.3.1 用MATLAB求常微分方程（組）的通解 78
5.3.2 用MATLAB求常微分方程（組）的特解 79
5.4 常微分方程（組）的數值求解 80
5.4.2 解微分方程的歐拉法 82
5.4.3 四階定步長龍格-庫塔算法 82
5.4.4 常微分方程（組）的剛性和非剛性 82
5.4.5 解常微分方程初值問題的MATLAB庫函數 83
5.5 高階常微分方程（組）的數值解法 86
5.6 微分代數方程求解 87
課後題 89
第6章 Simulink仿真基礎 90
6.1 Simulink簡介 90
6.1.1 簡介 90
6.1.2 功能 90
6.1.3 特點 90
6.1.4 啟動 91
6.1.5 Simulink建模仿真 91
6.1.6 Simulink建模仿真的基本過程 91
6.2 Simulink的建模方法 92
6.2.1 打開模型 92
6.2.2 模塊操作 92
6.2.3 模塊的連線操作 92
6.2.4 Simulink模型的基本結構 93
6.3 Simulink運行仿真 93
6.3.1 窗口仿真基本操作 93
6.4 Simulink模塊庫 94
6.4.1 模塊庫簡介 94
6.4.2 常用模塊組 94
6.4.3 連續模塊組 95
6.4.4 離散模塊組 95
6.4.5 非連續模塊組 95
6.4.6 邏輯運算模塊組 95
6.4.7 函數與表格模塊組 95
6.4.8 數學運算模塊組 95
6.4.9 端口與子系統模塊 95
6.4.10 信號通道模塊組 95
6.4.11 信號接受模塊組 95
6.4.12 信號源模塊組 96
6.4.13 用戶自定義模塊組 96
6.5 子系統及其封裝技術 96
6.5.1 創建Simulink子系統的兩種方法 96
6.5.2 Simulink子系統的兩種作用 96
6.5.3 例子 96
6.6 Simulink模型仿真 98
6.6.1 仿真的基本過程 98
6.6.2 對單自由度系統進行仿真 98
6.7 仿真過程中代數環的消除方法 101
6.7.1 代數環產生的原因 102
6.7.2 產生代數環的條件 103
6.7.3 代數環的消除 104
課後題 105
第7章 液壓PLC技術基礎 106
7.1 定義 106
7.2 適用領域 106
7.3 組成 106
7.3.1 硬件 107
7.4 S7-200的尋址與基本指令 110
7.4.1 S7-200尋址 110
7.4.2 各數據存儲區尋址 111
7.4.3 基本指令 113
7.4.4 定時器 114
7.4.5 計數器 116
7.5 用MATLAB仿真PLC 118
7.5.1 仿真方法概述 118
7.5.2 數學指令的轉換 124
7.5.3 計數器和定時器指令的轉換 125
7.6 應用實例一 126
7.7 應用實例二 128
7.7.1 水箱的物理建模 129
7.7.2 PLC的物理建模 132
課後題 137
第8章 常用液壓元件及系統的建模方法 138
8.1 節點容腔法建模舉例 138
8.1.1 孔口流量公式的仿真方法 138
8.1.2 液壓缸節點容腔法建模 145
8.2 常用液壓元件建模 146
8.2.1 液壓泵的建模 147
8.2.2 節點容腔的仿真模型 148
8.2.3 液壓缸的仿真模型 148
8.2.4 管道方塊圖與傳遞函數 149
8.2.5 限壓式變量泵的動態特性 152
8.2.6 液壓缸的動態特性仿真 154
8.2.7 液壓泵-蓄能器組合的動態特性 157
8.2.8 帶管道的溢流閥的動態特性 160
8.3 常用液壓回路的建模 162
8.3.1 液壓節流調速回路的線性化仿真 163
8.3.2 液壓節流調速回路非線性化仿真 166
8.3.3 動態系統的方塊圖與傳遞函數 170
8.4 液壓仿真的例子 174
8.4.1 基本原理 175
8.4.2 傳遞函數法 175
8.4.3 微分方程的數值解法 176
8.4.4 用Simulink方法 177
課後題 178
參考文獻 180