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第1章 自动控制系统与仿真概述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2

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4

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7

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/Simulink下的控制系统仿真10

1.5.1 MATLAB适合控制系统仿真的特点10

1.5.2 Simulink适合控制系统仿真的特点10

1.6 MATLAB中控制相关的工具箱11

1.7 Python中控制系统相关的包13

1.7.1 Python与MATLAB对比14

1.7.2 Python的控制系统包14

第2章 MATLAB计算基础15

2.1 引言15

2.2 MATLAB概述15

2.2.1 MATLAB发展历程15

2.2.2 MATLAB系统构成16

2.2.3 MATLAB常用工具箱17

2.3 MATLAB桌面操作环境17

2.3.1 MATLAB启动和退出17

2.3.2 MATLAB命令行窗口18

2.3.3 MATLAB工作区19

2.3.4 MATLAB文件管理20

2.3.5 MATLAB帮助使用20

2.4 MATLAB数值计算21

2.4.1 MATLAB数值类型21

2.4.2 矩阵运算23

2.5 关系运算和逻辑运算26

2.6 符号运算27

2.6.1 符号运算基础27

2.6.2 控制系统中常用的符号运算28

2.7 复数和复变函数运算29

2.7.1 复数运算基础29

2.7.2 拉普拉斯变换及反变换32

2.7.3 Z变换及其反变换33

2.8 MATLAB常用绘图命令35

2.9 MATLAB程序设计38

2.9.1 MATLAB程序类型38

2.9.2 MATLAB程序流程控制39

2.9.3 MATLAB程序基本设计原则41

第3章 Simulink仿真43

3.1 引言43

3.2 Simulink仿真概述43

3.2.1 Simulink的启动与退出44

3.2.2 Simulink建模仿真45

3.3 Simulink的模块库简介47

3.3.1 Simulink模块库分类47

3.3.2 控制系统仿真中常用的模块48

3.3.3 控制系统仿真中常用的Blockset49

3.4 Simulink功能模块的处理50

3.4.1 Simulink模块参数设置50

3.4.2 Simulink模块的基本操作51

3.4.3 Simulink模块间的连线处理52

3.5 Simulink仿真设置53

3.5.1 仿真器参数设置53

3.5.2 工作空间数据导入／导出设置56

3.6 Simulink仿真举例57

3.7 Simulink自定义功能模块65

3.7.1 自定义功能模块的创建65

3.7.2 自定义功能模块的封装65

3.8 S函数设计与应用67

3.8.1 S函数设计模板67

3.8.2 S函数设计举例70

第4章 控制系统数学模型73

4.1 引言73

4.2 动态过程微分方程描述73

4.3 拉氏变换与控制系统模型76

4.4 数学模型描述78

4.4.1 传递函数模型78

4.4.2 零极点形式的数学模型79

4.4.3 状态空间模型80

4.5 MATLAB/Simulink在模型中的应用80

4.5.1 多项式处理相关的函数80

4.5.2 建立传递函数相关的函数81

4.5.3 建立零极点形式的数学模型相关函数82

4.5.4 建立状态空间模型相关的函数82

4.5.5 Simulink中的控制系统模型表示83

4.5.6 Simulink中模型与状态空间模型的转化84

4.5.7 应用实例84

4.6 系统模型转换及连接88

4.6.1 模型转换88

4.6.2 模型连接90

4.6.3 模型连接的MATLAB实现91

4.7 非线性数学模型的线性化93

4.8 综合实例及MATLAB/Simulink应用94

习题98

第5章 时域分析法100

5.1 引言100

5.2 时域响应分析100

5.2.1 典型输入100

5.2.2 线性系统时域响应一般求法102

5.2.3 时域响应性能指标103

5.2.4 一阶和二阶系统的时域响应104

5.2.5 高阶系统的时域分析108

5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用110

5.3.1 时域分析中MATLAB函数的应用110

5.3.2 时域响应性能指标求取114

5.3.3 二阶系统参数对时域响应性能的影响117

5.3.4 改善系统时域响应性能的一些措施120

5.3.5 LTI Viewer应用124

5.4 稳定性分析128

5.4.1 稳定性基本概念128

5.4.2 稳定性判据129

5.4.3 稳态误差分析132

5.4.4 MATLAB在稳定性分析中的应用136

5.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用137

习题145

第6章 根轨迹分析法147

6.1 引言147

6.2 根轨迹定义147

6.3 根轨迹法基础148

6.3.1 幅值条件和相角条件148

6.3.2 绘制根轨迹的一般法则150

6.3.3 与根轨迹分析相关的MATLAB函数152

6.3.4 根轨迹分析与设计工具rltool154

6.3.5 利用MATLAB绘制根轨迹图举例156

6.4 其他形式的根轨迹160

6.4.1 正反馈系统的根轨迹160

6.4.2 参数根轨迹160

6.4.3 时滞系统的根轨迹161

6.4.4 利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例162

6.5 用根轨迹法分析系统的暂态特性164

6.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用167

习题170

第7章 频域分析法173

7.1 引言173

7.2 频率特性基本概念173

7.2.1 频率特性定义174

7.2.2 频域分析法的特点174

7.2.3 频域性能指标175

7.3 频率特性的表示方法176

7.3.1 极坐标图（Nyquist图）176

7.3.2 对数坐标图（Bode图）176

7.3.3 对数幅相图（Nichols图）177

7.3.4 典型环节的频率特性177

7.4 系统开环频率特性作图180

7.4.1 开环对数频率特性作图180

7.4.2 开环极坐标作图181

7.5 频率响应分析181

7.5.1 开环频率特性的性能分析181

7.5.2 闭环频率特性的性能分析183

7.6 MATLAB在频率法中的应用187

7.6.1 求取和绘制频率响应曲线相关的函数187

7.6.2 应用实例188

7.7 频率法的稳定性分析192

7.7.1 Nyquist稳定判据192

7.7.2 稳定裕度194

7.7.3 MATLAB在稳定性分析中的应用196

7.8 综合实例及MATLAB/Simulink应用199

习题201

第8章 控制系统校正与综合203

8.1 引言203

8.2 控制系统校正与综合基础203

8.2.1 控制系统性能指标203

8.2.2 控制系统校正概述205

8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用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 积分（I）控制210

8.3.5 比例积分（PI）控制211

8.3.6 比例积分微分（PID）控制212

8.3.7 PID控制器参数整定212

8.4 控制系统校正的根轨迹法223

8.4.1 基于根轨迹法的超前校正223

8.4.2 基于根轨迹法的滞后校正224

8.4.3 基于根轨迹法的超前滞后校正224

8.4.4 MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用225

8.5 控制系统校正的频率响应法232

8.5.1 基于频率法的超前校正232

8.5.2 基于频率法的滞后校正233

8.5.3 MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用233

8.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用238

习题243

第9章 线性系统状态空间分析245

9.1 引言245

9.2 线性系统状态空间基础245

9.2.1 状态空间基本概念245

9.2.2 状态空间实现247

9.2.3 状态空间的标准型255

9.2.4 状态方程求解258

9.2.5 MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用264

9.3 线性系统的状态可控性与状态可观性269

9.3.1 状态可控性270

9.3.2 状态可观性271

9.3.3 对偶系统和对偶原理272

9.3.4 可控标准型和可观标准型273

9.3.5 MATLAB/Simulink在可控和可观标准型中的应用276

9.4 线性系统稳定性分析280

9.4.1 稳定性分析基础280

9.4.2 李雅普诺夫稳定性分析281

9.4.3 MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用284

9.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用285

习题288

第10章 线性系统状态空间设计291

10.1 引言291

10.2 状态反馈与极点配置291

10.2.1 状态反馈292

10.2.2 输出反馈293

10.2.3 极点配置294

10.2.4 MATLAB/Simulink在极点配置中的应用296

10.3 状态观测器300

10.3.1 状态观测器的基本概念301

10.3.2 全维状态观测器302

10.3.3 降维状态观测器307

10.3.4 MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用310

10.4 综合实例及MATLAB/Simulink应用311

习题316

第11章 非线性系统319

11.1 引言319

11.2 非线性系统概述319

11.2.1 非线性控制理论发展概况319

11.2.2 典型非线性特性320

11.2.3 Simulink中的非线性模块322

11.3 相平面法324

11.3.1 相平面法基础知识325

11.3.2 MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用326

11.4 描述函数法333

11.4.1 描述函数基本概念333

11.4.2 描述函数定义333

11.4.3 描述函数的计算335

11.4.4 非线性系统的稳定性分析336

11.5 MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用337

11.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用340

习题345

第12章 离散控制系统346

12.1 引言346

12.2 离散控制系统基本概念346

12.2.1 离散控制系统概述346

12.2.2 离散信号的数学描述348

12.3 离散控制系统的研究方法351

12.3.1 线性连续与离散控制系统研究方法类比352

12.3.2 MATLAB中的离散控制系统相关的函数352

12.4 Z变换353

12.4.1 离散信号的Z变换353

12.4.2 Z变换与Z反变换常用方法355

12.5 离散控制系统数学模型358

12.5.1 离散系统时域数学模型358

12.5.2 离散系统频域数学模型360

12.6 离散控制系统性能分析366

12.6.1 稳定性分析366

12.6.2 静态误差分析367

12.6.3 动态特性分析369

12.6.4 MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用371

12.7 综合实例及MATLAB/Simulink应用383

习题388

第13章 最优控制系统390

13.1 引言390

13.2 最优控制问题的描述390

13.3 线性二次型最优控制问题391

13.4 MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用392

13.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用393

习题397

参考文献399