MATLAB/Simulink与控制系统仿真 第2版PDF电子书下载

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rltool 164

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