MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真（第4版）

目 錄
第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真概述 1
1．1 引言 1
1．2 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念 1
1．2．1 開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 2
1．2．2 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 3
1．2．3 反饋控制系統(tǒng)品質(zhì)要求 4
1．3 自動(dòng)控制系統(tǒng)分類 4
1．3．1 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 5
1．3．2 離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng) 5
1．3．3 恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng) 6
1．4 控制系統(tǒng)仿真基本概念 6
1．4．1 計(jì)算機(jī)仿真基本概念 7
1．4．2 控制系統(tǒng)仿真 8
1．4．3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真基本過程 9
1．4．4 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 9
1．5 MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真 10
1．5．1 MATLAB適合控制系統(tǒng)仿真的特點(diǎn) 10
1．5．2 Simulink適合控制系統(tǒng)仿真的特點(diǎn) 10
1．6 MATLAB中控制相關(guān)的工具箱 11
1．7 Python中控制系統(tǒng)相關(guān)的包 13
1．7．1 Python與MATLAB對(duì)比 14
1．7．2 Python的控制系統(tǒng)包 14
第2章 MATLAB計(jì)算基礎(chǔ) 15
2．1 引言 15
2．2 MATLAB概述 15
2．2．1 MATLAB發(fā)展歷程 15
2．2．2 MATLAB系統(tǒng)構(gòu)成 16
2．2．3 MATLAB 常用工具箱 17
2．3 MATLAB桌面操作環(huán)境 17
2．3．1 MATLAB啟動(dòng)和退出 17
2．3．2 MATLAB命令行窗口 18
2．3．3 MATLAB工作區(qū) 19
2．3．4 MATLAB文件管理 20
2．3．5 MATLAB幫助使用 20
2．4 MATLAB數(shù)值計(jì)算 21
2．4．1 MATLAB數(shù)值類型 21
2．4．2 矩陣運(yùn)算 23
2．5 關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 26
2．6 符號(hào)運(yùn)算 27
2．6．1 符號(hào)運(yùn)算基礎(chǔ) 27
2．6．2 控制系統(tǒng)中常用的符號(hào)運(yùn)算 28
2．7 復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)運(yùn)算 29
2．7．1 復(fù)數(shù)運(yùn)算基礎(chǔ) 29
2．7．2 拉普拉斯變換及反變換 32
2．7．3 Z變換及其反變換 33
2．8 MATLAB常用繪圖命令 35
2．9 MATLAB程序設(shè)計(jì) 38
2．9．1 MATLAB程序類型 38
2．9．2 MATLAB程序流程控制 39
2．9．3 MATLAB程序基本設(shè)計(jì)原則 41
第3章 Simulink仿真 42
3．1 引言 42
3．2 Simulink仿真概述 42
3．2．1 Simulink的啟動(dòng)與退出 43
3．2．2 Simulink建模仿真 44
3．3 Simulink的模塊庫簡介 46
3．3．1 Simulink模塊庫分類 46
3．3．2 控制系統(tǒng)仿真中常用的模塊 47
3．3．3 控制系統(tǒng)仿真中常用的Blockset 48
3．4 Simulink功能模塊的處理 49
3．4．1 Simulink模塊參數(shù)設(shè)置 49
3．4．2 Simulink模塊的基本操作 50
3．4．3 Simulink模塊間的連線處理 51
3．5 Simulink仿真設(shè)置 52
3．5．1 仿真器參數(shù)設(shè)置 52
3．5．2 工作空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出設(shè)置 55
3．6 Simulink仿真舉例 56
3．7 Simulink自定義功能模塊 65
3．7．1 自定義功能模塊的創(chuàng)建 65
3．7．2 自定義功能模塊的封裝 65
3．8 S函數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 67
3．8．1 S函數(shù)設(shè)計(jì)模板 67
3．8．2 S函數(shù)設(shè)計(jì)舉例 69
第4章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 73
4．1 引言 73
4．2 動(dòng)態(tài)過程微分方程描述 73
4．3 拉氏變換與控制系統(tǒng)模型 76
4．4 數(shù)學(xué)模型描述 78
4．4．1 傳遞函數(shù)模型 78
4．4．2 零極點(diǎn)形式的數(shù)學(xué)模型 79
4．4．3 狀態(tài)空間模型 80
4．5 MATLAB/Simulink在模型中的應(yīng)用 80
4．5．1 多項(xiàng)式處理相關(guān)的函數(shù) 80
4．5．2 建立傳遞函數(shù)相關(guān)的函數(shù) 81
4．5．3 建立零極點(diǎn)形式的數(shù)學(xué)模型相關(guān)函數(shù) 82
4．5．4 建立狀態(tài)空間模型相關(guān)的函數(shù) 82
4．5．5 Simulink中的控制系統(tǒng)模型表示 83
4．5．6 Simulink中模型與狀態(tài)空間模型的轉(zhuǎn)化 84
4．5．7 應(yīng)用實(shí)例 84
4．6 系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換及連接 88
4．6．1 模型轉(zhuǎn)換 88
4．6．2 模型連接 90
4．6．3 模型連接的MATLAB實(shí)現(xiàn) 91
4．7 非線性數(shù)學(xué)模型的線性化 93
4．8 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 94
習(xí)題 98
第5章 時(shí)域分析法 100
5．1 引言 100
5．2 時(shí)域響應(yīng)分析 100
5．2．1 典型輸入 100
5．2．2 線性系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)一般求法 102
5．2．3 時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo) 103
5．2．4 一階和二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 104
5．2．5 高階系統(tǒng)的時(shí)域分析 108
5．3 MATLAB/Simulink在時(shí)域分析中的應(yīng)用 110
5．3．1 時(shí)域分析中MATLAB函數(shù)的應(yīng)用 110
5．3．2 時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)求取 114
5．3．3 二階系統(tǒng)參數(shù)對(duì)時(shí)域響應(yīng)性能的影響 117
5．3．4 改善系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)性能的一些措施 120
5．3．5 LTI Viewer應(yīng)用 124
5．4 穩(wěn)定性分析 128
5．4．1 穩(wěn)定性基本概念 128
5．4．2 穩(wěn)定性判據(jù) 129
5．4．3 穩(wěn)態(tài)誤差分析 132
5．4．4 MATLAB在穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用 136
5．5 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 137
習(xí)題 145
第6章 根軌跡分析法 147
6．1 引言 147
6．2 根軌跡定義 147
6．3 根軌跡法基礎(chǔ) 148
6．3．1 幅值條件和相角條件 148
6．3．2 繪制根軌跡的一般法則 150
6．3．3 與根軌跡分析相關(guān)的MATLAB函數(shù) 152
6．3．4 根軌跡分析與設(shè)計(jì)工具rltool 154
6．3．5 利用MATLAB繪制根軌跡圖舉例 156
6．4 其他形式的根軌跡 160
6．4．1 正反饋系統(tǒng)的根軌跡 160
6．4．2 參數(shù)根軌跡 160
6．4．3 時(shí)滯系統(tǒng)的根軌跡 161
6．4．4 利用MATLAB繪制其他形式的根軌跡舉例 162
6．5 用根軌跡法分析系統(tǒng)的暫態(tài)特性 164
6．6 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 167
習(xí)題 170
第7章 頻域分析法 173
7．1 引言 173
7．2 頻率特性基本概念 173
7．2．1 頻率特性定義 174
7．2．2 頻域分析法的特點(diǎn) 174
7．2．3 頻域性能指標(biāo) 175
7．3 頻率特性的表示方法 176
7．3．1 極坐標(biāo)圖（Nyquist圖） 176
7．3．2 對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖（Bode圖） 176
7．3．3 對(duì)數(shù)幅相圖（Nichols圖） 177
7．3．4 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 177
7．4 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性作圖 180
7．4．1 開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性作圖 180
7．4．2 開環(huán)極坐標(biāo)作圖 181
7．5 頻率響應(yīng)分析 181
7．5．1 開環(huán)頻率特性的性能分析 181
7．5．2 閉環(huán)頻率特性的性能分析 183
7．6 MATLAB在頻率法中的應(yīng)用 187
7．6．1 求取和繪制頻率響應(yīng)曲線相關(guān)的函數(shù) 187
7．6．2 應(yīng)用實(shí)例 188
7．7 頻率法的穩(wěn)定性分析 192
7．7．1 Nyquist穩(wěn)定判據(jù) 192
7．7．2 穩(wěn)定裕度 194
7．7．3 MATLAB在穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用 196
7．8 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 199
習(xí)題 201
第8章 控制系統(tǒng)校正與綜合 203
8．1 引言 203
8．2 控制系統(tǒng)校正與綜合基礎(chǔ) 203
8．2．1 控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 203
8．2．2 控制系統(tǒng)校正概述 205
8．3 PID控制器設(shè)計(jì)及MATLAB/Simulink應(yīng)用 206
8．3．1 PID控制器概述 206
8．3．2 比例（P）控制 207
8．3．3 比例微分（PD）控制 209
8．3．4 積分（I）控制 210
8．3．5 比例積分（PI）控制 211
8．3．6 比例積分微分（PID）控制 212
8．3．7 PID控制器參數(shù)整定 212
8．4 控制系統(tǒng)校正的根軌跡法 223
8．4．1 基于根軌跡法的超前校正 223
8．4．2 基于根軌跡法的滯后校正 224
8．4．3 基于根軌跡法的超前滯后校正 224
8．4．4 MATLAB/Simulink在根軌跡法校正中的應(yīng)用 225
8．5 控制系統(tǒng)校正的頻率響應(yīng)法 232
8．5．1 基于頻率法的超前校正 232
8．5．2 基于頻率法的滯后校正 233
8．5．3 MATLAB/Simulink在頻率響應(yīng)法校正中的應(yīng)用 233
8．6 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 238
習(xí)題 243
第9章 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析 245
9．1 引言 245
9．2 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間基礎(chǔ) 245
9．2．1 狀態(tài)空間基本概念 245
9．2．2 狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn) 247
9．2．3 狀態(tài)空間的標(biāo)準(zhǔn)型 255
9．2．4 狀態(tài)方程求解 258
9．2．5 MATLAB/Simulink在線性系統(tǒng)狀態(tài)空間描述中的應(yīng)用 264
9．3 線性系統(tǒng)的狀態(tài)可控性與狀態(tài)可觀性 269
9．3．1 狀態(tài)可控性 270
9．3．2 狀態(tài)可觀性 271
9．3．3 對(duì)偶系統(tǒng)和對(duì)偶原理 272
9．3．4 可控標(biāo)準(zhǔn)型和可觀標(biāo)準(zhǔn)型 273
9．3．5 MATLAB/Simulink在可控和可觀標(biāo)準(zhǔn)型中的應(yīng)用 276
9．4 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 280
9．4．1 穩(wěn)定性分析基礎(chǔ) 280
9．4．2 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析 281
9．4．3 MATLAB/Simulink在李雅普諾夫穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用 284
9．5 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 285
習(xí)題 288
第10章 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間設(shè)計(jì) 291
10．1 引言 291
10．2 狀態(tài)反饋與極點(diǎn)配置 291
10．2．1 狀態(tài)反饋 292
10．2．2 輸出反饋 293
10．2．3 極點(diǎn)配置 294
10．2．4 MATLAB/Simulink在極點(diǎn)配置中的應(yīng)用 296
10．3 狀態(tài)觀測器 300
10．3．1 狀態(tài)觀測器的基本概念 301
10．3．2 全維狀態(tài)觀測器 302
10．3．3 降維狀態(tài)觀測器 307
10．3．4 MATLAB/Simulink在狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 310
10．4 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 311
習(xí)題 316
第11章 非線性系統(tǒng) 319
11．1 引言 319
11．2 非線性系統(tǒng)概述 319
11．2．1 非線性控制理論發(fā)展概況 319
11．2．2 典型非線性特性 320
11．2．3 Simulink中的非線性模塊 322
11．3 相平面法 324
11．3．1 相平面法基礎(chǔ)知識(shí) 325
11．3．2 MATLAB/Simulink在相軌跡圖繪制中的應(yīng)用 326
11．4 描述函數(shù)法 333
11．4．1 描述函數(shù)基本概念 333
11．4．2 描述函數(shù)定義 333
11．4．3 描述函數(shù)的計(jì)算 335
11．4．4 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 336
11．5 MATLAB/Simulink在非線性系統(tǒng)分析中的應(yīng)用 337
11．6 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 340
習(xí)題 345
第12章 離散控制系統(tǒng) 346
12．1 引言 346
12．2 離散控制系統(tǒng)基本概念 346
12．2．1 離散控制系統(tǒng)概述 346
12．2．2 離散信號(hào)的數(shù)學(xué)描述 348
12．3 離散控制系統(tǒng)的研究方法 351
12．3．1 線性連續(xù)與離散控制系統(tǒng)研究方法類比 352
12．3．2 MATLAB中的離散控制系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù) 352
12．4 Z變換 353
12．4．1 離散信號(hào)的Z變換 353
12．4．2 Z變換與Z反變換常用方法 355
12．5 離散控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 358
12．5．1 離散系統(tǒng)時(shí)域數(shù)學(xué)模型 358
12．5．2 離散系統(tǒng)頻域數(shù)學(xué)模型 360
12．6 離散控制系統(tǒng)性能分析 366
12．6．1 穩(wěn)定性分析 366
12．6．2 靜態(tài)誤差分析 367
12．6．3 動(dòng)態(tài)特性分析 369
12．6．4 MATLAB/Simulink在離散系統(tǒng)性能分析中的應(yīng)用 371
12．7 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 383
習(xí)題 388
第13章 最優(yōu)控制系統(tǒng) 390
13．1 引言 390
13．2 最優(yōu)控制問題的描述 390
13．3 線性二次型最優(yōu)控制問題 391
13．4 MATLAB/Simulink在線性二次型最優(yōu)控制中的應(yīng)用 392
13．5 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 393
習(xí)題 397
參考文獻(xiàn) 399