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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

目录 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

1.4.1 计算机仿真基本概念 6

1.3.3 恒值系统和随动系统 6

1.4 自动控制系统仿真基本概念 6

1.4.2 自动控制系统仿真 8

1.4.3 自动控制系统计算机仿真基本过程 8

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

第2章 MATLAB基础知识 11

2.1 引言 11

2.1.1 MATLAB发展历程 11

2.1.2 MATLAB系统构成 12

2.1.3 MATL.AB 7.0工具箱 12

2.1.4 MATLAB 7.0/Simulink 6.0最新特点 14

2.2 MATLAB桌面操作环境 16

2.2.1 MATLAB启动和退出 16

2.2.2 MATLAB主菜单及功能 17

2.2.3 MATLAB命令窗口 20

2.2.4 MATLAB工作空间 21

2.2.5 MATLAB文件管理 22

2.2.6 MATLAB帮助使用 22

2.3 MATLAB数值计算 23

2.3.1 MATLAB数值类型 23

2.3.2 矩阵运算 25

2.4 关系运算和逻辑运算 30

2.5 符号运算 32

2.5.1 符号运算基础 32

2.5.2 常用符号运算 32

2.5.3 控制系统中常用的符号运算 34

2.6 MATLAB常用绘图命令 35

2.7 MATLAB程序设计 38

2.7.1 MATLAB程序类型 38

2.7.2 MATLAB程序流程控制 39

2.7.3 MATLAB程序基本设计原则 42

3.2.1 Simulink启动 44

3.2 Simulink的使用 44

3.1 引言 44

第3章 仿真集成环境Simulink 44

3.2.2 Simulink仿真设置 46

3.2.3 Simulink模块库简介 52

3.2.4 Simulink功能模块的处理 64

3.3 Simulink自定义功能模块 67

3.3.1 采用Subsystem构建自定义功能模块 67

3.3.2 多个模块组合自定义功能模块 67

3.3.3 自定义功能模块的封装 67

3.4 S函数设计与应用 69

3.4.1 S函数设计 69

3.4.2 S函数应用 72

3.5 Simulink仿真举例 73

第4章 控制系统数学模型 78

4.1 引言 78

4.2 动态过程微分方程描述 78

4.3 拉氏变换与控制系统模型 82

4.4 动态过程的传递函数描述 84

4.4.1 传递函数定义与性质 85

4.4.2 传递函数零极点表示 86

4.4.3 传递函数的部分分式表示 87

4.5 动态过程状态空间描述 89

4.6.1 模型转换 91

4.6 系统模型转换及连接 91

4.6.2 模型连接 94

4.7 非线性数学模型的线性化 99

第5章 时域分析法 101

5.1 引言 101

5.2 时域响应分析 101

5.2.1 典型输入 101

5.2.2 线性系统时域响应一般求法 103

5.2.3 时域响应性能指标 104

5.2.4 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用 106

5.2.5 一阶和二阶系统时域响应分析 111

5.2.6 高阶系统的时域分析 121

5.3 稳定性分析 124

5.3.1 稳定性基本概念 124

5.3.2 稳定性判据 125

5.3.3 稳态误差分析 128

5.3.4 MATLAB在稳定性分析中的应用 133

第6章 根轨迹分析法 135

6.1 引言 135

6.2 根轨迹定义 135

6.3 根轨迹法基础 136

6.3.1 幅值条件和相角条件 136

6.3.2 绘制根轨迹的一般法则 138

6.3.3 与根轨迹分析相关的MATLAB函数 140

6.3.4 利用MATLAB绘制根轨迹图举例 146

6.4 其他形式的根轨迹 147

6.4.1 正反馈系统的根轨迹 148

6.4.2 参数根轨迹 149

6.4.3 时滞系统的根轨迹 150

6.5 用根轨迹法分析系统的暂态特性 151

7.2.1 频率特性基本概念 155

7.2 频率特性 155

7.1 引言 155

第7章 频域分析法 155

7.2.2 频率响应曲线 157

7.3 频率响应分析 164

7.3.1 系统品质分析 164

7.3.2 稳定性分析 168

第8章 控制系统校正与综合 177

8.1 引言 177

8.2 控制系统校正与综合基础 177

8.2.1 控制系统性能指标 177

8.2.2 控制系统校正概述 178

8.3.1 PID控制器概述 180

8.3 PID控制器设计 180

8.3.2 比例（P）控制 181

8.3.3 比例微分（PD）控制 183

8.3.4 积分（I）控制 184

8.3.5 比例积分（PI）控制 185

8.3.6 比例积分微分（PID）控制 186

8.3.7 PID控制器参数整定 187

8.4 控制系统校正的根轨迹法 198

8.4.1 基于根轨迹法的超前校正 199

8.4.2 基于根轨迹法的滞后校正 203

8.4.3 基于根轨迹法的超前滞后校正 206

8.5.1 基于频率法的超前校正 210

8.5 控制系统校正的频率响应法 210

8.5.2 基于频率法的滞后校正 214

第9章 线性系统状态空间分析 218

9.1 引言 218

9.2 线性系统状态空间基础 218

9.2.1 状态空间基本概念 218

9.2.2 状态空间实现 221

9.2.3 状态空间模型描述 230

9.2.4 状态方程求解 236

9.3 线性系统的状态可控性与状态可观性 245

9.3.1 状态可控性 245

9.3.2 状态可观性 247

9.3.3 对偶系统和对偶原理 248

9.3.4 可控标准型和可观标准型 249

9.4 线性系统稳定性分析 256

9.4.1 稳定性分析基础 256

9.4.2 李雅普诺夫稳定性分析 257

第10章 线性系统状态空间设计 262

10.1 引言 262

10.2 状态反馈与极点配置 262

10.2.1 状态反馈 262

10.2.2 输出反馈 263

10.2.3 极点配置 265

10.3 状态观测器 271

10.3.1 状态观测器的基本概念 272

10.3.2 全维状态观测器 273

10.3.3 降维状态观测器 281

第11章 非线性系统 287

11.1 引言 287

11.2 非线性系统概述 287

11.2.1 非线性控制理论发展概况 287

11.2.2 典型非线性特性 288

11.3 相平面法 290

11.3.1 相平面法基础知识 291

11.3.2 相轨迹图绘制 292

11.4 描述函数法 300

11.4.1 描述函数基本概念 300

11.4.2 描述函数定义 300

11.4.3 常见非线性特性描述函数 301

11.4.4 稳定性分析 303

11.5 采用Simulink分析非线性系统 304

第12章 离散控制系统 307

12.1 引言 307

12.2 离散控制系统基本概念 307

12.2.1 离散控制系统概述 307

12.2.2 离散信号的数学描述 310

12.3 Z变换 314

12.3.1 离散信号的Z变换 314

12.3.2 Z变换、Z反变换常用方法及MATLAB实现 316

12.4 离散控制系统数学模型 323

12.4.1 离散系统时域数学模型 323

12.4.2 离散系统频域数学模型 325

12.5 离散控制系统分析 333

12.5.1 离散控制系统的稳定性 333

12.5.2 离散控制系统静态误差分析 340

12.5.3 离散控制系统动态特性分析 342

参考文献 351