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第1章 自动控制系统与仿真基础知识1

1.1 引言1

1.2　自动控制系统基本概念1

1.2.1　开环控制系统与闭环控制系统1

1.2.2　闭环控制系统组成结构3

1.2.3　反馈控制系统品质要求3

1.3 自动控制系统分类4

1.3.1　线性系统和非线性系统5

1.3.2　离散系统和连续系统5

1.3.3　恒值系统和随动系统6

1.4　控制系统仿真基本概念6

1.4.1　计算机仿真基本概念6

1.4.2　控制系统仿真8

1.4.3　控制系统计算机仿真基本过程9

1.4.4　计算机仿真技术发展趋势9

1.5 MATLAB与控制系统仿真10

1.6 MATLAB 7中控制相关的工具箱10

第2章　MATLAB计算及仿真基础14

2.1 引言14

2.2 MATLAB概述14

2.2.1 MATLAB发展历程14

2.2.2 MATLAB系统构成15

2.2.3 MATLAB 7常用工具箱15

2.3 MATLAB桌面操作环境16

2.3.1 MATLAB启动和退出16

2.3.2 MATLAB主菜单及功能17

2.3.3 MATLAB命令窗口21

2.3.4 MATLAB工作空间22

2.3.5 MATLAB文件管理24

2.3.6 MATLAB帮助使用24

2.4 MATLAB数值计算25

2.4.1 MATLAB数值类型25

2.4.2　矩阵运算27

2.5　关系运算和逻辑运算30

2.6　符号运算31

2.6.1　符号运算基础32

2.6.2　控制系统中常用的符号运算32

2.7　复数和复变函数运算33

2.7.1　复数运算基础33

2.7.2　拉普拉斯变换及逆变换37

2.7.3 Z变换及逆变换38

2.8 MATLAB常用绘图命令40

2.9 MATLAB程序设计43

2.9.1 MATLAB程序类型43

2.9.2 MATLAB程序流程控制44

2.9.3 MATLAB程序基本设计原则47

第3章　Simulink仿真基础49

3.1　引言49

3.2 Simulink仿真概述49

3.2.1 Simulink的启动与退出49

3.2.2 Simulink建模仿真51

3.3 Simulink的模块库简介53

3.3.1 Simulink模块库分类53

3.3.2　控制系统仿真中常用的模块54

3.4 Simulink功能模块的处理56

3.4.1 Simulink模块参数设置56

3.4.2 Simulink模块的基本操作58

3.4.3 Simulink模块间的连线处理59

3.5 Simulink仿真设置59

3.5.1　仿真器参数设置60

3.5.2　工作空间数据导入／导出设置62

3.6 Simulink仿真举例64

3.7 Simulink自定义功能模块73

3.7.1 自定义功能模块的创建73

3.7.2 自定义功能模块的封装73

3.8 S函数设计与应用75

3.8.1 S函数设计模板75

3.8.2 S函数设计举例78

第4章　控制系统数学模型82

4.1　引言82

4.2　动态过程微分方程描述82

4.3　拉氏变换与控制系统模型85

4.4　数学模型描述87

4.4.1　传递函数模型87

4.4.2　零极点形式的数学模型88

4.4.3 状态空间模型89

4.5 MATLAB/Simulink在模型中的应用89

4.5.1　多项式处理相关的函数89

4.5.2　建立传递函数相关的函数90

4.5.3　建立零极点形式的数学模型相关函数91

4.5.4　建立状态空间模型相关的函数92

4.5.5 Simulink中的控制系统模型表示92

4.5.6　应用实例93

4.6　系统模型转换及连接97

4.6.1　模型转换97

4.6.2　模型连接99

4.6.3　模型连接模型连接的MATLAB实现101

4.7　非线性数学模型的线性化102

4.8　综合实例及MATLAB/Simulink应用103

习题106

第5章　时域分析法109

5.1　引言109

5.2 时域响应分析109

5.2.1　典型输入109

5.2.2　线性系统时域响应一般求法111

5.2.3 时域响应性能指标112

5.2.4　一阶和二阶系统的时域响应113

5.2.5　高阶系统的时域分析117

5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用119

5.3.1　时域分析中MATLAB函数的应用119

5.3.2　时域响应性能指标求取124

5.3.3　二阶系统参数对时域响应性能的影响127

5.3.4　改善系统时域响应性能的一些措施131

5.3.5 LTI Viewer应用135

5.4　稳定性分析139

5.4.1　稳定性基本概念140

5.4.2　稳定性判据140

5.4.3　稳态误差分析143

5.4.4 MATLAB在稳定性分析中的应用147

5.5　综合实例及MATLAB/Simulink应用148

习题155

第6章　根轨迹分析法157

6.1 引言157

6.2　根轨迹定义157

6.3　根轨迹法基础158

6.3.1　幅值条件和相角条件158

6.3.2　绘制根轨迹的一般法则160

6.3.3　与根轨迹分析相关的MATLAB函数162

6.3.4　根轨迹分析与设计工具rltool164

6.3.5　利用MATLAB绘制根轨迹图举例165

6.4　其他形式的根轨迹170

6.4.1　正反馈系统的根轨迹170

6.4.2　参数根轨迹171

6.4.3　时滞系统的根轨迹171

6.4.4　利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例172

6.5　用根轨迹法分析系统的暂态特性174

6.6　综合实例及MATLAB/Simulink应用177

习题181

第7章　频域分析法183

7.1　引言183

7.2　频率特性基本概念183

7.2.1　频率特性定义183

7.2.2　频域分析法的特点184

7.2.3　频域性能指标185

7.3　频率特性的表示方法185

7.3.1　极坐标图（Nyquist图）186

7.3.2　对数坐标图（Bode图）186

7.3.3　对数幅相图（Nichols图）187

7.3.4　典型环节的频率特性187

7.4　系统开环频率特性作图189

7.4.1　开环对数频率特性作图189

7.4.2　开环极坐标作图190

7.5　频率响应分析191

7.5.1　开环频率特性的性能分析191

7.5.2　闭环频率特性的性能分析193

7.6 MATLAB在频率法中的应用197

7.6.1　求取和绘制频率响应曲线相关的函数197

7.6.2　应用实例199

7.7　频率法的稳定性分析202

7.7.1 Nyquist稳定判据202

7.7.2　稳定裕度204

7.7.3 MATLAB在稳定性分析中的应用206

习题211

第8章　控制系统校正与综合213

8.1　引言213

8.2　控制系统校正与综合基础213

8.2.1　控制系统性能指标213

8.2.2　控制系统校正概述214

8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用216

8.3.1 PID控制器概述217

8.3.2　比例（P）控制217

8.3.3　比例微分（PD）控制218

8.3.4　积分（I）控制221

8.3.5　比例积分（PI）控制221

8.3.6　比例积分微分（PID）控制222

8.3.7 PID控制器参数整定223

8.4　控制系统校正的根轨迹法234

8.4.1　基于根轨迹法的超前校正235

8.4.2　基于根轨迹法的滞后校正235

8.4.3　基于根轨迹法的超前滞后校正236

8.4.4 MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用236

8.5　控制系统校正的频率响应法244

8.5.1　基于频率法的超前校正244

8.5.2　基于频率法的滞后校正245

8.5.3 MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用245

8.6　综合实例及MATLAB/Simulink应用250

习题256

第9章　线性系统状态空间分析258

9.1　引言258

9.2　线性系统状态空间基础258

9.2.1　状态空间基本概念258

9.2.2 状态空间实现260

9.2.3 状态空间的标准型268

9.2.4　状态方程求解271

9.2.5 MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用276

9.3　线性系统的状态可控性与状态可观性283

9.3.1　状态可控性283

9.3.2　状态可观性284

9.3.3　对偶系统和对偶原理285

9.3.4　可控标准型和可观标准型286

9.3.5 MATLAB在可控和可观标准型中的应用290

9.4　线性系统稳定性分析294

9.4.1　稳定性分析基础294

9.4.2　李雅普诺夫稳定性分析295

9.4.3 MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用298

9.5　综合实例及MATLAB/Simulink应用298

习题302

第10章　线性系统状态空间设计305

10.1 引言305

10.2　状态反馈与极点配置305

10.2.1　状态反馈305

10.2.2　输出反馈306

10.2.3　极点配置308

10.2.4 MATLAB/Simulink在极点配置中的应用309

10.3　状态观测器314

10.3.1　状态观测器的基本概念314

10.3.2　全维状态观测器316

10.3.3　降维状态观测器321

10.3.4 MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用323

10.4　综合实例及MATLAB/Simulink应用325

习题331

第11章　非线性系统333

11.1　引言333

11.2　非线性系统概述333

11.2.1　非线性控制理论发展概况333

11.2.2　典型非线性特性334

11.2.3 Simulink中的非线性模块336

11.3　相平面法339

11.3.1　相平面法基础知识339

11.3.2 MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用341

11.4　描述函数法348

11.4.1　描述函数基本概念348

11.4.2　描述函数定义348

11.4.3　描述函数的计算349

11.4.4　非线性系统的稳定性分析351

11.5 MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用352

11.6　综合实例及MATLAB/Simulink应用355

习题360

第12章　离散控制系统361

12.1 引言361

12.2　离散控制系统基本概念361

12.2.1　离散控制系统概述361

12.2.2　离散信号的数学描述363

12.3　离散控制系统的研究方法366

12.3.1　线性连续与离散控制系统研究方法类比366

12.3.2 MATLAB中的离散控制系统相关的函数368

12.4 Z变换368

12.4.1　离散信号的Z变换369

12.4.2 Z变换与Z反变换常用方法370

12.5　离散控制系统数学模型373

12.5.1　离散系统时域数学模型373

12.5.2　离散系统频域数学模型375

12.6　离散控制系统性能分析382

12.6.1　离散控制系统的稳定性382

12.6.2　离散控制系统静态误差分析383

12.6.3　离散控制系统动态特性分析385

12.6.4 MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用387

12.7　综合实例及MATLAB/Simulink应用400

习题405

第13章　最优控制407

13.1 引言407

13.2　最优控制问题的描述407

13.3　线性二次型最优控制问题408

13.4 MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用409

13.5　综合实例及MATLAB/Simulink应用410

习题414

附录A　控制系统相关的MATLAB函数415

附录B Simulink模块库419

参考文献433