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第1部分 控制系统MATLAB计算及仿真的解题实训1

第1章MATLAB的程序设计1

1.1有关MATLAB程序设计的基本概念1

1.2 MATLAB程序设计基本规则2

1.3有关MATLAB程序设计举例2

1.3.1自然数列求和与由自然数列中每个自然数的倒数所组成的数列求和2

1.3.2杨辉三角形或Pascal三角形与Pascal矩阵3

1.3.3 Fibonacci数列4

1.3.4闰年4

1.3.5 Vandermonde矩阵5

1.3.6编程序写出以一直角边最长为任意整数值长的勾股弦数6

1.3.7编程再举例6

习题8

第2章MATLAB 7.5的仿真集成环境Simulink 7.09

2.1 Simulink仿真特色与其模型窗口9

2.1.1 Simulink仿真特色9

2.1.2进入MATLAB 7.5的Simulink 7.010

2.1.3 Simulink 7.0的模型窗口概述10

2.2 Simulink 7.0的界面与组成13

2.2.1 Simulink 7.0功能模块组的打开与关闭13

2.2.2 Simulink 7.0功能模块的分类及其用途14

2.3用Simulink建立系统仿真模型17

2.3.1打开模型窗口的方法18

2.3.2模块的查找与选择18

2.3.3模块的复制、移动与删除18

2.3.4模块的连接19

2.4常用15个模块内部参数的设置或修改20

2.5用Simulink建立系统仿真模型实例27

第3章 常用电气系统（SimPowerSystems）实体图形化仿真模型29

3.1电气系统（SimPowerSystems）实体图形化模型库简介29

3.1.1电源（Electrical Sources）模块组30

3.1.2电器元件（Elements）模块组30

3.1.3电力电子元件（Power Electronics）模块组31

3.1.4电机（Machines）模块组32

3.1.5电气测量仪表（Measurements）模块组32

3.2基本电路元件的仿真模型33

3.2.1普通电源33

3.2.2受控电源34

3.2.3 RLC元件35

3.3常用电机与变压器的仿真模型37

3.3.1电机37

3.3.2变压器40

3.4基本电力电子器件的仿真模型43

3.4.1二极管（Diode）43

3.4.2晶闸管（Thyristor）45

3.4.3门极关断晶闸管（GTO）47

3.4.4电力场效应晶体管（MOSFET）48

3.4.5绝缘栅双极型晶体管（IGBT）50

3.4.6理想开关（Ideal Switch）51

3.4.7多功能桥式整流电路（Universal Bridge）52

3.5电力电子变流器典型驱动装置的仿真模型53

3.5.1同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator）54

3.5.2同步12脉冲触发器（Synchronized 12-Pulse Generator）55

3.5.3 PWM脉冲发生器（PWM Generator）56

3.5.4脉冲信号发生器（Pulse Generator）58

3.6常用测量元件的仿真模型59

3.6.1电压测量（Voltage Measurement）59

3.6.2电流测量（Current Measurement）59

3.6.3三相电压电流测量（Three-Phase V-I Measurement）60

3.6.4选路器或选择开关（Selector）61

3.7用“SimPowerSystems”创建系统仿真模型62

第4章 控制系统数学模型的MATLAB实现64

4.1设置或修改LTI对象的属性值函数set（）64

4.2控制系统数学模型65

4.3控制系统模型转换与化简69

4.4用系统Simulink结构图模型化简控制系统模型71

习题73

第5章 连续系统时域分析的MATLAB实现76

5.1 Laplace变换及反变换的MATLAB实现76

5.1.1 MATLAB系统中Laplace变换与反变换的函数命令76

5.1.2两个特殊函数的表示法76

5.1.3计算函数的Laplace变换77

5.1.4计算用图形表示函数的Laplace变换79

5.1.5利用留数将象函数表达式展成部分分式83

5.1.6用Laplace反变换求原函数84

5.1.7 Laplace变换的卷积与卷积定理85

5.1.8用Laplace变换定义传递函数86

5.1.9用Laplace反变换求解微分方程88

5.2 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真91

5.2.1一阶系统时域分析的MATLAB实现91

5.2.2二阶及高阶系统时域分析的MATLAB实现93

5.3利用Simulink动态结构图的时域响应仿真99

5.3.1解算系统闭环传递函数的两种方法99

5.3.2利用Simulink动态结构图模型程序方式下的时域响应仿真99

5.3.3在Simulink模型窗口里菜单方式下的时域响应仿真100

习题102

第6章 连续系统稳定性分析的MATLAB实现104

6.1代数稳定判据的MATLAB实现104

6.1.1用系统特征方程的根判定系统稳定性104

6.1.2用Lienard-Chipard稳定判据判定系统稳定性105

6.2用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现106

6.3用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现110

6.3.1用Bode图法判断系统稳定性110

6.3.2用Nyquist曲线法判断系统稳定性112

习题115

第7章 连续系统稳态误差计算的MATLAB实现117

7.1控制系统的静态误差系数与动态误差系数117

7.2三种典型信号给定输入作用下的稳态误差120

7.3从输出端定义的非单位负反馈系统的误差的计算123

7.4扰动输入作用下的稳态误差计算124

7.5绘制误差响应曲线125

习题127

第8章 连续系统根轨迹分析的MATLAB实现130

8.1控制系统根轨迹分析的MATLAB实现130

8.1.1根轨迹分析MATLAB实现的函数指令格式130

8.1.2根轨迹分析的MATLAB实现举例131

8.2基于根轨迹的设计工具139

习题142

第9章 连续系统频域分析的MATLAB实现143

9.1控制系统的频率特性143

9.2控制系统Bode图及其模值裕度与相位裕度146

9.3控制系统Nyquist曲线150

习题153

第10章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现155

10.1非线性系统特性简述155

10.2非线性系统自振155

10.2.1非线性系统的典型结构155

10.2.2自动控制系统中典型非线性特性156

10.3非线性系统自振分析157

10.4描述函数法分析非线性系统自振的MATLAB实现158

习题173

第11章 离散系统分析与校正的MATLAB实现175

11.1用MATLAB工具解算z变换与z反变换175

11.2差分方程的z变换解法177

11.3离散控制系统的脉冲传递函数178

11.4离散系统时域分析的 MATLAB实现182

11.4.1离散系统时域响应的MATLAB实现182

11.4.2离散系统稳定性分析的MATLAB实现185

11.4.3离散系统稳态误差计算的MATLAB实现185

11.5离散系统根轨迹分析的MATLAB实现186

11.6离散系统动态性能分析的MATLAB实现再举例189

11.7线性离散系统数字校正的MATLAB实现193

11.7.1数字控制器的脉冲传递函数193

11.7.2最少拍系统的设计193

11.7.3离散系统数字校正的MATLAB实现194

习题195

第12章 连续线性控制系统校正设计的MATLAB实现197

12.1控制系统校正设计几个问题的说明197

12.2控制系统Bode图校正设计的MATLAB实现199

12.2.1控制系统Bode图常规设计法超前校正设计的MATLAB实现199

12.2.2控制系统Bode图常规设计法滞后校正设计的MATLAB实现200

12.3控制系统根轨迹设计的MATLAB实现206

12.3.1控制系统根轨迹超前校正设计的MATLAB实现206

12.3.2控制系统根轨迹滞后校正设计的MATLAB实现208

12.4控制系统P、 PI、 PID校正设计的MATLAB实现210

12.4.1控制系统Ziegler-Nichols整定公式校正设计的MATLAB实现211

12.4.2控制系统Cohen-Coon整定公式的校正设计的MATLAB实现211

12.4.3控制系统最优控制（误差积分指标最优）校正设计的MATLAB实现212

12.4.4控制系统稳定边界法的P、 PI、 PID校正设计的MATLAB实现215

习题218

第13章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真219

13.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真219

13.2多闭环控制系统MATLAB计算及仿真225

13.3转速负反馈闭环直流调速系统的SimPowerSystems模型仿真232

13.3.1单闭环直流脉宽PWM-M调速系统的SimPowerSystems模型仿真232

13.3.2转速微分负反馈双环直流V-M调速系统的SimPowerSystems模型仿真235

13.4位置随动系统的MATLAB仿真与稳态误差分析237

13.4.1位置随动系统的动态校正设计237

13.4.2位置随动系统的稳态误差分析243

13.5过程控制系统的MATLAB计算及仿真246

13.5.1简单回路控制系统的动态校正设计246

13.5.2前馈控制系统的MATLAB计算及仿真249

13.5.3大延迟控制系统的MATLAB动态校正设计252

习题256

第14章 线性系统状态空间分析的MATLAB实现259

14.1系统状态空间描述及其状态方程求解259

14.1.1状态空间表达式的建立259

14.1.2求控制系统的状态转移矩阵Φ（t）262

14.1.3求控制系统的传递矩阵G（s）264

14.1.4求控制系统的特征方程、特征值及特征向量265

14.1.5求控制系统的状态方程的解266

14.1.6连续系统状态方程的离散化266

14.2系统状态方程的线性变换267

14.2.1控制系统的P变换267

14.2.2控制系统的P-1变换268

14.2.3将状态方程化为对角标准型269

14.2.4将状态方程化为约当标准型272

14.3线性系统的可控性与可观性274

14.3.1线性系统的可控性274

14.3.2线性系统的可观性277

14.4系统状态反馈与状态观测器281

14.4.1系统的极点配置281

14.4.2系统的状态观测器283

14.4.3系统的状态降维观测器286

14.5Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现294

14.5.1李雅普诺夫函数与李雅普诺夫函数方程295

14.5.2李雅普诺夫稳定性理论295

习题296

第15章 线性二次型最优控制的MATLAB实现300

15.1连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现300

15.2离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现303

15.3最优观测器（Kalman滤波）的MATLAB实现304

15.4线性二次型Gauss最优控制器的MATLAB实现306

习题308

第2部分 控制系统MATLAB计算及仿真的实验实训309

第16章MATLAB仿真基础实验实训309

【实验实训16-1】 MATLAB 7.5系统的安装、启动与卸载309

【实验实训16-2】 MATLAB 7.5系统界面、菜单认识与内容查找310

【实验实训16-3】Simulink 7.0系统界面与菜单认识310

【实验实训16-4】典型模块的参数设置310

【实验实训16-5】仿真模型图的绘制311

【实验实训16-6】程序方式下与Notebook方式下运行MATLAB程序311

第17章 自动控制原理MATLAB实验实训312

【实验实训17-1】控制系统数学模型的MATLAB实现312

【实验实训17-2】连续系统时域分析的MATLAB实现312

【实验实训17-3】控制系统稳定性分析的MATLAB实现313

【实验实训17-4】控制系统稳态误差分析的MATLAB实现313

【实验实训17-5】控制系统根轨迹分析的MATLAB实现313

【实验实训17-6】控制系统频域分析的MATLAB实现314

【实验实训17-7】描述函数分析非线性系统的MATLAB实现314

【实验实训17-8】离散系统分析与校正的MATLAB实现314

【实验实训17-9】线性系统状态空间分析的MATLAB实现315

【实验实训17-10】线性二次型最优控制的MATLAB仿真315

第18章 连续控制系统校正设计的MATLAB实验实训316

【实验实训18-1】 Bode图常规设计超前、滞后校正的MATLAB实现316

【实验实训18-2】 Bode图非常规滞后、超前校正的MATLAB实现316

【实验实训18-3】根轨迹解析法超前、滞后校正的MATLAB实现316

【实验实训18-4】用Ziegler- Nichols公式进行P、 PI、 PID校正的MATLAB实现317

【实验实训18-5】用Cohen-Coon公式进行P、 PI、 PD、 PID校正的MATLAB实现317

【实验实训18-6】用IAE、 ISE、 ITAE积分值最小准则公式进行P、 PI、 PID校正的MATLAB实现317

【实验实训18-7】用稳定边界法进行P、 PI、 PID校正的MATLAB实现318

第19章 生产过程控制系统MATLAB仿真实验实训319

【实验实训19-1】简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真319

【实验实训19-2】前馈控制系统的MATLAB计算及仿真319

【实验实训19-3】大延迟控制系统的MATLAB计算及仿真319

【实验实训19-4】串级控制系统的MATLAB计算及仿真320

第3部分 控制系统MATLAB计算及仿真课程设计与毕业设计实训322

第20章 自动控制仿真课程设计与毕业设计实训322

【课程设计实训20-1】根轨迹分析的MATLAB计算及仿真322

【课程设计实训20-2】离散系统MATLAB计算及仿真325

【课程设计实训20-3】过程控制系统的MATLAB计算及仿真331

【课程设计实训20-4】控制系统状态空间分析的MATLAB设计334

【毕业设计实训20-5】单闭环直流调速系统设计339

【毕业设计实训20-6】双闭环直流调速系统数学模型与SimPowerSystems模型仿真345

附录 自编函数351

参考文献392