MATLAB/Simulink与机电控制系统仿真 第2版PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 机电控制系统的一般概念 2

1.1.1 机电控制系统的描述 2

1.1.2 机电控制和控制系统的概念 3

1.1.3 一个机电控制系统实例——飞机襟翼操纵系统 6

1.2 开环控制系统与闭环控制系统 6

1.3 机电控制系统的分类 8

1.3.1 线性控制系统和非线性控制系统 8

1.3.2 恒值控制系统和随动系统 8

1.3.3 连续控制系统和离散控制系统 9

1.3.4 现代控制理论的几个基本概念 10

1.4 机电控制系统的品质要求 10

1.5 机电控制系统仿真基本概念 11

1.6 机电控制系统的常用研究方法 13

1.7 机电控制系统的数学模型及MATALB描述方法 13

习题 15

第2章 MATLAB基础知识 17

2.1 引言 17

2.1.1 MATLAB发展历程 17

2.1.2 MATLAB系统构成 17

2.1.3 MATLAB工具箱 18

2.1.4 MATALAB/Simulink最新特点 19

2.2 MATLAB桌面操作环境 21

2.2.1 MATLAB启动和退出 21

2.2.2 MATLAB主菜单及功能 22

2.2.3 MATLAB命令窗口 25

2.2.4 MATLAB工作空间 26

2.2.5 MATLAB文件管理 27

2.2.6 MATLAB帮助使用 27

2.3 MATLAB数值计算 28

2.3.1 MATLAB数值类型 28

2.3.2 矩阵运算 30

2.4 关系运算和逻辑运算 35

2.5 符号运算 36

2.5.1 符号运算基础 36

2.5.2 常用符号运算 37

2.5.3 控制系统中常用的符号运算 38

2.6 MATLAB常用绘图命令 40

2.7 MATLAB程序设计 43

2.7.1 MATLAB程序类型 43

2.7.2 MATLAB程序流程控制 43

2.7.3 MATLAB程序基本设计原则 46

习题 47

第3章 机电控制系统的数学模型 49

3.1 机电控制系统的微分方程 49

3.1.1 概述 49

3.1.2 列写微分方程的一般方法 50

3.2 数学模型建模实例 51

3.3 机电控制系统按数学模型的分类 54

3.4 机电控制系统的线性化数学模型 55

3.5 拉普拉斯变换 57

3.6 拉普拉斯反变换 58

3.7 机电控制系统的传递函数 61

3.7.1 传递函数的定义与性质 61

3.7.2 传递函数的零点、极点和放大系数 62

3.8 典型环节及其传递函数 64

3.9 相似原理 68

3.10 MATLAB的仿真集成环境Simulink 69

3.10.1 传递函数方框图 69

3.10.2 仿真工具Simulink 72

3.11 系统模型的连接 76

3.11.1 模型串联 77

3.11.2 模型并联 77

3.11.3 反馈连接 78

3.11.4 系统扩展 79

3.12 状态空间法建模 79

3.13 系统模型的转换 84

习题 86

第4章 机电控制系统的时域分析 89

4.1 机电控制系统的典型输入信号 89

4.2 MATLAB在时域分析中的应用 91

4.2.1 时域分析中MATLAB函数的应用 91

4.2.2 MATLAB在时域分析中的应用实例 92

4.3 一阶系统的时域分析 93

4.3.1 单位阶跃响应 93

4.3.2 单位斜坡响应 94

4.3.3 单位脉冲响应 96

4.4 二阶系统 97

4.4.1 二阶系统的单位脉冲响应 99

4.4.2 二阶系统的单位阶跃响应 101

4.4.3 二阶系统响应的性能指标 104

4.5 高阶系统 113

4.6 系统稳定性的初步概念 117

4.6.1 系统不稳定现象的发生 117

4.6.2 稳定的定义和条件 119

4.6.3 关于稳定性的一些提法 121

4.7 Routh稳定判据 122

4.7.1 Routh稳定判据 122

4.7.2 Routh判据的特殊情况 125

4.8 系统误差分析与计算 127

4.8.1 误差e（t）的一般计算 127

4.8.2 系统的稳态误差 128

4.8.3 与输入有关的稳态误差 128

4.8.4 与干扰有关的稳态误差 131

4.9 实例分析 133

习题 136

第5章 系统的频率响应法 140

5.1 频率特性 140

5.1.1 频率响应 140

5.1.2 频率响应的定义 141

5.2 Nyquist图示法 147

5.2.1 典型环节的Nyquist图 147

5.2.2 开环系统的Nyquist图 152

5.2.3 用MATLAB函数绘制Nyquist图 156

5.3 Nyquist稳定判据 158

5.3.1 幅角原理（Cauchy定理） 158

5.3.2 Nyquist稳定判据 160

5.3.3 Nyquist判据应用举例 162

5.4 Bode图示法 167

5.4.1 频率特性的对数坐标图 167

5.4.2 典型环节的Bode图 169

5.4.3 利用MATLAB函数绘制Bode图 180

5.5 Bode稳定判据 181

5.5.1 Nyquist图和Bode图的对应关系 181

5.5.2 穿越的概念 182

5.5.3 Bode稳定判据 182

5.6 系统的相对稳定性 183

5.6.1 相位裕度γ 183

5.6.2 幅值裕度Kg 183

5.7 频率特性与时域响应的关系 186

5.8 最小相位系统与非最小相位系统 194

5.9 线性系统的根轨迹分析 196

5.9.1 二阶系统的根轨迹分析 196

5.9.2 根轨迹绘制原理 200

5.9.3 绘制根轨迹的MATLAB工具 200

5.10 稳定性计算举例 202

5.10.1 实例1：仿形刀架 202

5.10.2 实例2：电液位置伺服控制系统 205

5.10.3 实例3：计算机控制的电液伺服位置控制系统 211

习题 219

第6章 系统的性能指标与校正 223

6.1 系统的性能指标 223

6.1.1 时域性能指标 223

6.1.2 频域性能指标 224

6.1.3 综合性能指标（误差准则） 224

6.2 系统的校正 225

6.3 PID校正 226

6.3.1 基于MATLAB的比例（P）控制 227

6.3.2 基于MATLAB的PD调节器 228

6.3.3 基于MATLAB的PI调节器 231

6.3.4 基于MATLAB的PID调节器 232

6.4 串联校正 234

6.4.1 基于MATLAB的相位超前校正 234

6.4.2 基于MATLAB的相位滞后校正 242

6.4.3 基于MATLAB的相位滞后—超前校正 253

6.5 根轨迹设计法 263

6.6 关于系统校正的一点讨论 269

习题 269

第7章 状态空间法基础 272

7.1 引论 272

7.2 状态空间表达式的建立 273

7.2.1 由结构图模型建立状态空间表达式 273

7.2.2 由传递函数模型建立状态空间表达式 276

7.3 状态变换 280

7.3.1 状态向量的非唯一性及特征不变性 281

7.3.2 常用标准型 282

7.3.3 MATLAB下建立状态空间模型 286

7.4 系统能控性和能观性 286

7.4.1 能控性 287

7.4.2 能观性 289

7.4.3 单输入系统的能控标准型和能观标准型 290

7.4.4 基于MATLAB的能控性与能观性分析 293

7.5 李亚普诺夫稳定性与判别方法 296

7.5.1 李亚普诺夫的稳定性判据 297

7.5.2 线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析 297

7.5.3 基于MATLAB的李亚普诺夫稳定性分析 298

7.6 线性定常系统的设计与综合 300

7.6.1 状态反馈实现极点配置 300

7.6.2 最优控制系统的设计 306

习题 309

第8章 离散控制系统辅助设计 313

8.1 概述 313

8.1.1 离散控制系统的基本组成 313

8.1.2 数字控制系统工作过程 314

8.1.3 离散控制系统的基本特点 314

8.1.4 离散控制系统的研究方法 314

8.2 离散信号的数学描述 316

8.2.1 采样过程及采样定理 316

8.2.2 保持器的数学描述 317

8.3 Z变换 319

8.3.1 离散信号的Z变换 319

8.3.2 Z变换和Z反变换的MATLAB实现 321

8.4 离散控制系统的数学模型 323

8.4.1 离散系统的时域数学模型 323

8.4.2 离散系统的频域数学模型 325

8.5 离散控制系统分析 327

8.5.1 离散控制系统的稳定性 327

8.5.2 采样周期与开环增益对稳定性的影响 330

8.5.3 离散控制系统MATLAB时域响应和频域响应 332

8.6 频率特性和根轨迹设计 337

习题 342

第9章 非线性控制系统 344

9.1 非线性系统概述 344

9.1.1 典型的非线性特性 344

9.1.2 非线性系统的特点 347

9.2 非线性元件的描述函数 347

9.2.1 描述函数的基本概念 347

9.2.2 非线性元件描述函数 348

9.3 用描述函数分析非线性控制系统 351

9.4 相轨迹 352

9.4.1 相轨迹的基本概念 352

9.4.2 相轨迹的绘制 354

9.4.3 奇点的分类与极限环 355

9.4.4 由相轨迹求系统的瞬态响应 356

9.5 非线性系统的相平面分析 357

9.5.1 具有分段线性的非线性系统 358

9.5.2 继电器型非线性系统 359

9.6 非线性因素对稳定性的影响 361

9.7 利用Simulink仿真平台分析非线性控制系统实例 367

习题 375

参考文献 377