控制系统MATLAB入计算及仿真 第3版PDF电子书下载

第1章 控制系统及仿真概述 1

1.1自动控制系统的广泛应用 1

电力拖动自动控制系统的应用 1

工业生产过程自动控制系统的应用 2

1.2控制系统计算机仿真的基本概念 2

控制系统计算机仿真 2

控制系统计算机仿真的过程 3

1.3控制系统MATLAB计算与仿真 3

先进的软件MATLAB 3

控制系统的MATLAB计算与仿真 6

上篇 MATLAB语言基础 7

第2章 MAT LAB 7.1系统概述 7

2.1 MATLAB 7.1安装与启动 7

MATLAB 7.1的安装 7

Notebook的安装 11

MATLAB 7.1的启动 11

Notebook的启动 12

2.2 MATLAB 7.1的系统界面 13

MATLAB 7.1系统的4个小窗口 13

MATLAB 7.1的命令窗口（Command Window） 14

MATLAB 7.1菜单项命令 15

MATLAB 7.1工具栏按钮 21

Start开始按钮 21

2.3 MATLAB 7.1的内容及其查找 21

MATLAB 7.1的内容 22

MATLAB 7.1内容的查找 25

MATLAB 7.1的模糊查询 27

MATLAB 7.1的Work子目录 27

2.4 MATLAB的文字处理工具Notebook 27

Notebook菜单命令简介 28

Notebook的使用 28

Notebook使用的几个问题 29

第3章 MATLAB数值运算 30

3.1 MATLAB的数值运算基础 30

常量 30

变量 31

MATLAB运算符 31

3.2 MATLAB的数组、矩阵运算 33

数组、矩阵的概念 33

数组或矩阵元素的标识 34

数组与矩阵的输入 35

数组、矩阵的算术运算 37

矩阵的特有运算 41

数组的关系运算 48

数组的逻辑运算 48

3.3 MATLAB的数组函数与矩阵函数 49

数组函数 49

矩阵函数 50

3.4多项式及其运算 51

多项式运算函数 52

多项式运算举例 52

3.5 MATLAB的数学表达式及其书写 54

MATLAB的数学表达式 54

MATLAB数学表达式的书写 54

第4章 MATLAB符号运算基础 56

4.1 MATLAB符号运算概述 56

MATLAB符号运算入门 56

MATLAB符号运算的几个基本概念 57

4.2 MATLAB符号对象的基本运算与关系运算 59

4.3 MATLAB符号运算的基本函数 59

符号变量代换及其函数subs（） 60

符号对象转换为数值对象的函数double（）、digits（）、vpa（）、numeric（） 60

MATLAB符号表达式的化简 61

4.4 MATLAB符号微积分运算 62

MATLAB符号极限运算 63

MATLAB符号函数微分运算 63

MATLAB符号函数积分运算 64

符号求和函数与Taylor（泰勒）级数展开函数 65

4.5 MATLAB符号矩阵的几种特殊运算 67

矩阵的微分与积分 67

Jacobian矩阵 68

矩阵的Jordan标准形 69

4.6 MATLAB符号方程求解 70

MATLAB符号代数方程求解 70

MATLAB符号微分方程求解 71

4.7复变函数计算的MATLAB实现 73

复数的概念 73

MATLAB关于复变量的函数命令 73

复数的生成与创建复矩阵 74

复数的几何表示 75

复数代数运算的MATLAB实现 76

第5章 MATLAB程序设计 79

5.1 M文件、MATLAB函数与MATLAB程序 79

M文件 79

MATLAB函数 79

MATLAB命令文件或程序 81

5.2 MATLAB程序设计基础 82

MATLAB程序设计基本规则 83

表达式、表达式语句与赋值语句 83

程序流程控制语句 84

程序流程控制指令 89

5.3 MATLAB程序设计再举例 90

第6章 MATLAB 7.1常用图形命令与符号函数图形命令 92

6.1 MATLAB的常用图形命令 92

绘图函数plot（） 92

绘图坐标系的调整 93

图形标注 93

多次重叠绘制图形 95

图形窗口的分割 97

6.2 MATLAB的特殊坐标绘图函数 97

对数坐标曲线 97

极坐标曲线 98

双y轴坐标曲线 98

复数的图形曲线 99

6.3 MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数 100

MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem（） 100

MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs（） 100

6.4 MATLAB符号函数的图形命令 101

符号函数的简捷绘图函数命令ezplot（） 101

符号函数的绘图函数命令fplot（） 103

符号函数的极坐标绘图函数命令ezpoar（） 104

中篇 控制系统MATLAB仿真基础 105

第7章 MATLAB7.1的仿真集成环境Simulink 6.3 105

7.1 Simulink仿真特色与其模型窗口 105

Simulink仿真特色 105

进入MATLAB 7.1的Simulink 6.3 106

Simulink 6.3的模型窗口概述 107

7.2 Simulink 6.3的界面与组成 110

Simulink 6.3功能模块组的打开与关闭 111

Simulink 6.3功能模块的分类及其用途 112

有关Simulink 6.3的几个问题 123

7.3用Simulink建立系统模型 123

打开模型窗口的方法 124

模块的查找与选择 124

模块的复制、移动与删除 124

模块的连接 126

模块标题名称的修改 127

系统结构图模型标题名称的标注与修改 127

创建模型的取消与复原操作 127

模型文件的保存与打开 127

模型框图的打印 128

Simulink建模注意事项 128

7.4常用15个模块内部参数的设置或修改 128

7.5观察Simulink的仿真结果 135

使用示波器模块观察仿真输出 135

使用To Workspace模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中 137

使用Out模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中 139

7.6 Simulink的分析工具 140

模型线性化概述 140

连续系统的线性化模型 140

7.7自定义子系统与子系统的封装 141

自定义子系统 141

子系统的封装 143

第8章 常用电气系统（SimPowerSystems）实体图形化仿真模型 147

8.1基本电路元件的仿真模型 147

电源 147

RLC元件 149

8.2常用电机与变压器的仿真模型 150

电机 150

变压器 154

8.3基本电力电子器件的仿真模型 156

二极管（Diode） 156

晶闸管（Thyristor） 158

可关断晶闸管（GTO） 159

电力场效应管（MOSFET） 161

绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 162

理想开关（Ideal Switch） 163

多功能桥式整流电路（Universal Bridge） 164

8.4电力电子变流器典型驱动装置的仿真模型 165

同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator） 166

同步12脉冲触发器（Synchronized 12-Pulse Generator） 167

脉宽调制PWM脉冲发生器（PWM Generator） 167

脉冲信号发生器（Pulse Generator） 169

8.5常用测量元件的仿真模型 170

电压测量（Voltage Measure-ment） 170

电流测量（Current Measure-ment） 171

万用表（Multimeter） 171

三相电压电流测量（Three-Phase V-I Measurement） 172

选路器或选择开关（Selector） 173

第9章 控制系统数学模型的MATLAB实现 175

9.1 LTI 3种对象及其属性 175

LTI对象与set（）函数 175

3种对象的属性 175

9.2控制系统数学模型对象的种类及转换 176

控制系统数学模型 176

3种系统数学模型之间的转换 179

第4种系统数学模型对象（Simulink模型） 181

9.3环节方框图模型的化简 182

环节串联连接的化简 182

环节并联连接的化简 183

环节反馈连接的化简 183

9.4用系统Simulink模型结构图化简控制系统模型 184

9.5控制系统3类基本数学模型及举例 185

第10章 连续系统时域分析的MATLAB实现 189

10.1控制系统时域分析的几个基本概念 189

10.2 Laplace变换及反变换 191

Laplace变换与反变换的概念 191

两个特殊函数的表示法 192

计算用图形表示的函数的Laplace变换 192

计算函数的Laplace变换 194

利用留数将象函数表达式展成部分分式 195

用Laplace反变换求原函数 197

用Laplace变换定义传递函数 198

用Laplace反变换求解微分方程 199

10.3 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真 202

时域响应MATLAB仿真的函数指令格式 202

MATLAB函数指令时域响应仿真示例 205

10.4利用Simulink动态结构图的时域响应仿真示例 212

利用Simulink动态结构图模型指令方式下的时域响应仿真实例 212

在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真实例 213

第11章 连续系统稳定性分析的MATLAB实现 214

11.1控制系统稳定性分析概述 214

控制系统稳定性简述 214

控制系统有关稳定性的几个基本概念 214

11.2代数稳定判据的MATLAB实现 215

11.3用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现 217

11.4用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现 221

用Bode图判定系统稳定性 221

用Nyquist曲线判定系统稳定性 223

第12章 连续系统稳态误差计算的MATLAB实现 225

12.1控制系统误差（响应）与稳态误差及其误差传递函数 225

控制系统误差 225

控制系统稳态误差 225

控制系统稳态误差的计算原理 225

控制系统两个重要概念 226

闭环系统的误差传递函数 226

12.2控制系统稳态误差的计算 227

控制系统的静态误差系数与动态误差系数 227

三种典型信号给定输入作用下的稳态误差 230

典型外作用信号下的给定输入响应与其稳态误差曲线的绘制 233

从输出端定义的非单位负反馈系统的误差计算 236

扰动输入作用下的稳态误差计算 237

12.3控制系统稳态误差计算举例 240

第13章 连续系统根轨迹分析的MATLAB实现 241

13.1有关根轨迹的几个基本概念 241

13.2控制系统根轨迹分析的MATLAB实现 242

根轨迹分析MATLAB实现的函数指令格式 242

根轨迹分析的MATLAB实现再举例 244

13.3 MATLAB基于根轨迹的设计工具 247

根轨迹设计工具简述 247

根轨迹设计工具示例 249

第14章 连续系统频域分析的MATLAB实现 251

14.1有关频域分析的几个概念 251

14.2控制系统的频率特性 253

14.3连续系统频域分析的MATLAB实现 256

频域响应Bode图的函数指令格式及示例 256

频域分析Nyquist曲线的函数指令格式及示例 259

频域分析Nichols曲线的函数指令格式及示例 262

频域响应的模值裕度与相位裕度函数指令格式及示例 263

第15章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 269

15.1有关非线性系统分析的基本概念 269

15.2典型非线性特性的描述函数 271

15.3描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 272

非线性系统自振分析 272

描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现示例 273

第16章 离散系统分析的MATLAB实现 279

16.1离散系统的基本概念 279

连续系统与离散系统 279

采样过程与采样定理 279

信号复现与零阶保持器 281

16.2 z变换与z反变换 282

z变换与z反变换的概念 282

MATLAB的z变换函数命令与使用 283

MATLAB的z反变换函数命令与使用 287

16.3差分方程的z变换解法 289

差分的概念 289

差分方程的概念 290

差分方程的求解 290

16.4离散控制系统的脉冲传递函数 291

脉冲传递函数的概念 291

开环系统脉冲传递函数及其举例 292

闭环系统脉冲传递函数及其举例 294

16.5离散系统稳定性分析的MATLAB实现 295

从s平面到z平面的映射 295

z域稳定条件及稳定判据 296

z平面到w平面的映射与在w平面应用稳定判据 297

16.6单位反馈离散系统稳态误差的MATLAB计算 300

单位阶跃输入作用时的稳态误差 300

单位斜坡函数输入作用时的稳态误差 300

单位加速度函数输入作用时的稳态误差 301

16.7离散系统动态性能分析的MATLAB实现示例 303

下篇 控制系统MATLAB计算及仿真 308

第17章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真 308

17.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真 308

自动控制系统的基本概念 308

简单闭环控制系统的数学模型 309

简单闭环控制系统的MATLAB仿真实例 310

线性时不变系统（LTI）观测器 316

17.2多闭环控制系统的MATLAB计算及仿真 319

多闭环控制系统概述 319

多闭环控制系统的数学模型 319

双闭环调速系统的MATLAB计算与仿真实例 319

三环控制系统的MATLAB计算与仿真 329

17.3转速负反馈闭环直流调速系统的实体图形化模型仿真 332

转速负反馈单闭环直流脉宽PWM-M调速系统的仿真 332

转速负反馈单闭环无差直流调速系统的仿真 334

转速、电流双闭环直流V-M调速系统的仿真 337

17.4位置随动系统的MATLAB计算及仿真 338

位置随动系统的概念 338

位置随动系统的控制特点 338

位置随动系统的分析方法与品质指标 339

位置随动系统MATLAB计算及仿真实例 339

17.5过程控制系统的MATLAB计算及仿真 349

生产过程控制的特点 349

过程控制中被控对象的动态特性 350

过程控制系统的性能指标 350

控制系统中延迟特性的处理 352

简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真 353

串级控制系统的MATLAB计算及仿真 355

前馈控制系统的MATLAB计算及仿真 358

大延迟系统的MATLAB计算及仿真 362

第18章 连续线性控制系统校正设计的MATLAB实现 366

18.1控制系统校正设计概述 366

经典控制系统的校正设计 366

控制系统校正设计的基本概念 366

控制系统的无源校正与有源校正 367

控制系统串联校正的基本思路 367

控制系统校正设计应注意的几个问题 368

18.2控制系统Bode图校正设计法 368

Bode图超前校正设计 369

Bode图滞后校正设计 376

Bode图滞后—超前校正设计 382

18.3控制系统根轨迹设计法 385

根轨迹超前校正设计 385

根轨迹滞后校正设计 392

18.4控制系统PID校正设计法 395

PID调节简述 395

PID调节规律 395

PID调节作用分析 396

PID校正设计方法 399

第19章 线性系统状态空间分析的MATLAB实现 410

19.1控制系统状态空间分析的基本概念 410

19.2系统状态空间表达式及其状态方程的解 412

状态空间表达式的建立 412

系统状态方程的解 414

求控制系统的特征方程、特征值及特征向量 416

连续系统状态方程的离散化 418

19.3系统状态方程的线性变换 420

传递矩阵 420

状态方程的线性变换 421

Vandermonde（范德蒙德）矩阵与Jordan（约当）标准形 424

19.4线性系统的可控性与可观性 426

线性系统的可控性 426

线性系统的可观测性 431

线性定常系统的实现问题 435

19.5系统状态反馈与状态观测器 437

系统的输出反馈与闭环系统的传递矩阵 437

系统的状态反馈与闭环系统的状态矩阵 438

系统的极点配置 438

系统的状态观测器 440

系统的状态降维观测器 441

19.6 Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现 445

系统稳定性概述 445

李亚普诺夫意义下的稳定性理论 446

线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析 447

李亚普诺夫方程的求解 450

第20章 线性二次型最优控制的MATLAB实现 452

20.1最优控制的基本概念 452

最优控制问题 452

最优控制的性能指标 453

最优控制问题的数学分类法 454

最优控制问题的求解方法 454

线性二次型最优控制 455

20.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 455

连续系统线性二次型最优控制 455

连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 456

连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现示例 456

20.3离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 457

离散系统稳态线性二次型最优控制 457

离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现与示例 458

20.4最优观测器的MATLAB实现 460

连续时不变系统的Kalman滤波 460

Kalman滤波的MATLAB实现 461

Kalman滤波的MATLAB实现示例 462

20.5线性二次型Guass最优控制的MATLAB实现 463

LQG最优控制的求解 463

LQG最优控制的MATLAB实现与示例 464

附录 作者编写的MATLAB函数 466

参考文献 479