MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真（第4版）

目 錄
第1章 自動控制系統(tǒng)與仿真概述 1
1．1 引言 1
1．2 自動控制系統(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)組成結構 3
1．2．3 反饋控制系統(tǒng)品質(zhì)要求 4
1．3 自動控制系統(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)和隨動系統(tǒng) 6
1．4 控制系統(tǒng)仿真基本概念 6
1．4．1 計算機仿真基本概念 7
1．4．2 控制系統(tǒng)仿真 8
1．4．3 控制系統(tǒng)計算機仿真基本過程 9
1．4．4 計算機仿真技術發(fā)展趨勢 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 10
1．5．2 Simulink適合控制系統(tǒng)仿真的特點 10
1．6 MATLAB中控制相關的工具箱 11
1．7 Python中控制系統(tǒng)相關的包 13
1．7．1 Python與MATLAB對比 14
1．7．2 Python的控制系統(tǒng)包 14
第2章 MATLAB計算基礎 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)值計算 21
2．4．1 MATLAB數(shù)值類型 21
2．4．2 矩陣運算 23
2．5 關系運算和邏輯運算 26
2．6 符號運算 27
2．6．1 符號運算基礎 27
2．6．2 控制系統(tǒng)中常用的符號運算 28
2．7 復數(shù)和復變函數(shù)運算 29
2．7．1 復數(shù)運算基礎 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程序設計 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程序基本設計原則 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仿真設置 52
3．5．1 仿真器參數(shù)設置 52
3．5．2 工作空間數(shù)據(jù)導入/導出設置 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)設計與應用 67
3．8．1 S函數(shù)設計模板 67
3．8．2 S函數(shù)設計舉例 69
第4章 控制系統(tǒng)數(shù)學模型 73
4．1 引言 73
4．2 動態(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)學模型描述 78
4．4．1 傳遞函數(shù)模型 78
4．4．2 零極點形式的數(shù)學模型 79
4．4．3 狀態(tài)空間模型 80
4．5 MATLAB/Simulink在模型中的應用 80
4．5．1 多項式處理相關的函數(shù) 80
4．5．2 建立傳遞函數(shù)相關的函數(shù) 81
4．5．3 建立零極點形式的數(shù)學模型相關函數(shù) 82
4．5．4 建立狀態(tài)空間模型相關的函數(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)空間模型的轉化 84
4．5．7 應用實例 84
4．6 系統(tǒng)模型轉換及連接 88
4．6．1 模型轉換 88
4．6．2 模型連接 90
4．6．3 模型連接的MATLAB實現(xiàn) 91
4．7 非線性數(shù)學模型的線性化 93
4．8 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 94
習題 98
第5章 時域分析法 100
5．1 引言 100
5．2 時域響應分析 100
5．2．1 典型輸入 100
5．2．2 線性系統(tǒng)時域響應一般求法 102
5．2．3 時域響應性能指標 103
5．2．4 一階和二階系統(tǒng)的時域響應 104
5．2．5 高階系統(tǒng)的時域分析 108
5．3 MATLAB/Simulink在時域分析中的應用 110
5．3．1 時域分析中MATLAB函數(shù)的應用 110
5．3．2 時域響應性能指標求取 114
5．3．3 二階系統(tǒng)參數(shù)對時域響應性能的影響 117
5．3．4 改善系統(tǒng)時域響應性能的一些措施 120
5．3．5 LTI Viewer應用 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)定性分析中的應用 136
5．5 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 137
習題 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 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 與根軌跡分析相關的MATLAB函數(shù) 152
6．3．4 根軌跡分析與設計工具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 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 167
習題 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 174
7．2．3 頻域性能指標 175
7．3 頻率特性的表示方法 176
7．3．1 極坐標圖（Nyquist圖） 176
7．3．2 對數(shù)坐標圖（Bode圖） 176
7．3．3 對數(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)對數(shù)頻率特性作圖 180
7．4．2 開環(huán)極坐標作圖 181
7．5 頻率響應分析 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在頻率法中的應用 187
7．6．1 求取和繪制頻率響應曲線相關的函數(shù) 187
7．6．2 應用實例 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)定性分析中的應用 196
7．8 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 199
習題 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 203
8．2．1 控制系統(tǒng)性能指標 203
8．2．2 控制系統(tǒng)校正概述 205
8．3 PID控制器設計及MATLAB/Simulink應用 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用 225
8．5 控制系統(tǒng)校正的頻率響應法 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在頻率響應法校正中的應用 233
8．6 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 238
習題 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 245
9．2．1 狀態(tài)空間基本概念 245
9．2．2 狀態(tài)空間實現(xiàn) 247
9．2．3 狀態(tài)空間的標準型 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 對偶系統(tǒng)和對偶原理 272
9．3．4 可控標準型和可觀標準型 273
9．3．5 MATLAB/Simulink在可控和可觀標準型中的應用 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 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)定性分析中的應用 284
9．5 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 285
習題 288
第10章 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間設計 291
10．1 引言 291
10．2 狀態(tài)反饋與極點配置 291
10．2．1 狀態(tài)反饋 292
10．2．2 輸出反饋 293
10．2．3 極點配置 294
10．2．4 MATLAB/Simulink在極點配置中的應用 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)觀測器設計中的應用 310
10．4 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 311
習題 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 相平面法基礎知識 325
11．3．2 MATLAB/Simulink在相軌跡圖繪制中的應用 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)分析中的應用 337
11．6 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 340
習題 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 離散信號的數(shù)學描述 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)相關的函數(shù) 352
12．4 Z變換 353
12．4．1 離散信號的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)學模型 358
12．5．1 離散系統(tǒng)時域數(shù)學模型 358
12．5．2 離散系統(tǒng)頻域數(shù)學模型 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)性能分析中的應用 371
12．7 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 383
習題 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)控制中的應用 392
13．5 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 393
習題 397
參考文獻 399