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序 1

前言 1

第1章　控制与仿真的基础知识 1

本章学习目标 1

1.1 自动控制的基本概念及其应用 1

1.1.1　控制理论的发展 1

1.1.2 自动控制的概念及其应用 2

1.1.3 自动控制的任务 4

1.1.4 自动控制的基本方式 5

1.1.5　对控制系统的性能要求 10

1.2.1　控制系统的组成 11

1.2　控制系统的组成及分类 11

1.2.2　控制系统的分类 12

1.3　计算机仿真概述 13

1.3.1 仿真的概念和仿真过程 14

1.3.2　系统仿真的分类 16

1.4　计算机仿真的特点及其应用 18

1.4.1 计算机仿真的特点 18

1.4.2　计算机仿真技术的应用 19

本章小结 19

思考题与习题 20

2.1.2　数学模型的分类 22

2.1.1　数学模型的含义 22

2.1　数学模型概述 22

本章学习目标 22

第2章　控制系统的数学模型 22

2.1.3　数学模型的建立方法 23

2.2　微分方程 23

2.2.1　微分方程的建立 23

2.2.2　拉普拉斯（Laplace）变换 26

2.2.3　微分方程的求解 29

2.2.4　非线性数学模型的线性化处理 30

2.3　传递函数 32

2.3.1 传递函数的概念 32

2.3.2　典型环节及其传递函数 34

2.3.3 自动控制系统的传递函数 37

2.4　系统动态结构图及其等效变换 38

2.4.1　结构图的组成及绘制 38

2.4.2　结构图的等效变换 40

2.5　状态空间描述 42

2.5.1 状态变量 42

2.5.2　状态方程 44

2.6　数学模型的相互转换 44

本章小结 46

思考题与习题 46

3.1.2　典型输入信号 48

3.1.1 概述 48

本章学习目标 48

3.1　典型输入信号及其响应 48

第3章　控制原理和分析方法 48

3.1.3　典型信号的响应 51

3.2　时域分析法 53

3.2.1 一阶系统的时域响应 53

3.2.2　二阶系统的时域响应 57

3.2.3　控制系统的稳定性分析 60

3.2.4　控制系统的稳态误差分析 66

3.3　频率分析法 70

3.3.1　频率特性的概念 71

3.3.2　典型环节的频率特性 72

3.3.3　系统开环频率特性的绘制 76

3.3.4　系统性能的分析和计算 77

本章小结 81

思考题与习题 81

第4章　计算机控制技术的应用 84

本章学习目标 84

4.1　微机控制系统概述 84

4.1.1　微机控制系统的组成 84

4.1.2　微机控制系统的分类 85

4.1.3　微机控制系统的设计 86

4.2.1　常用报警程序 87

4.2　常用控制程序的设计 87

4.2.2　数字滤波程序 91

4.3 PID控制及其应用 96

4.3.1 数字PID控制算法 96

4.3.2　数字PID控制算法的改进 98

4.3.3　PID调节器参数的整定 102

4.4　直接数字控制系统 106

4.4.1　最少拍系统设计 106

4.4.2　达林算法 110

本章小结 113

思考题与习题 114

5.1　数值积分法 115

第5章　系统仿真算法分析 115

本章学习目标 115

5.1.1 欧拉（Euler）法 116

5.1.2　梯形法 117

5.1.3　龙格—库塔（Runge—Kutta）法 118

5.1.4　数值积分公式的应用 120

5.1.5　仿真精度与系统稳定性 122

5.2　快速仿真算法 124

5.2.1　时域矩阵法 124

5.2.2　增广矩阵法 126

5.2.3　替换法 129

5.2.4　根匹配法 130

5.3.1　仿真算法描述 133

5.3　离散相似法 133

5.3.2　典型环节的离散模型 135

5.4　线性系统仿真 136

5.4.1 线性系统的数值积分法仿真 136

5.4.2　线性系统的离散相似法仿真 140

5.5　非线性系统仿真 141

5.5.1　典型非线性特性 142

5.5.2　非线性系统的仿真过程及应用 144

5.6　采样系统仿真 146

5.6.1 采样控制系统的算法描述 146

5.6.2　采样周期与仿真步距的关系 148

5.6.3　采样系统的仿真应用 149

思考题与习题 152

本章小结 152

第6章　MATLAB程序设计语言 155

本章学习目标 155

6.1 MATLAB基础 155

6.1.1 MATLAB的产生与发展 155

6.1.2 MATLAB的主要功能 156

6.1.3 MATLAB的特点 156

6.1.4 MATLAB 6.x版本的改进 157

6.2 MATLAB操作平台 158

6.2.1　MATLAB的安装 158

6.2.2 MATLAB桌面平台 159

6.2.4 MATLAB中的M文件与M函数 162

6.2.3 MATLAB的程序编辑器 162

6.2.5 MATLAB帮助系统 164

6.3 MATLAB的基本应用 166

6.3.1 MATLAB数值运算基础 166

6.3.2 MATLAB绘图 172

6.3.3 MATLAB程序设计基础 176

本章小结 179

思考题与习题 180

第7章　控制系统的MATLAB仿真 181

本章学习目标 181

7.1　控制系统的模型表示 181

7.1.1　系统的传递函数模型表示 181

7.1.2　零极点增益模型 182

7.1.3　状态空间模型 183

7.1.4　系统不同模型间的相互转换 184

7.2　环节方框图模型的化简 186

7.2.1　环节串联连接的化简 186

7.2.2　环节并联连接的化简 188

7.2.3　环节反馈连接的化简 189

7.3 控制系统时域分析的MATLAB实现 191

7.3.1 概述 191

7.3.2　连续系统的单位阶跃响应 191

7.3.3　连续系统的单位脉冲响应 193

7.4.1　概述 195

7.3.4　连续系统的零输入响应 195

7.4　控制系统频域分析的MATLAB实现 195

7.4.2　求连续系统的伯德图 196

7.4.3　绘制系统奈奎斯特曲线图的函数 196

7.4.4　求连续系统Nichols曲线的函数 197

7.4.5　求系统幅值裕度与相位裕度 197

7.5　利用MATLAB语言进行编程仿真的应用 199

7.5.1 面向传递函数的线性系统仿真 199

7.5.2 面向结构图的线性系统仿真 203

7.5.3　线性系统的离散相似法仿真 206

7.5.4　非线性系统离散相似法仿真 208

7.5.5　采样控制系统仿真 213

本章小结 219

思考题与习题 220

第8章　SIMULINK交互式仿真环境 222

本章学习目标 222

8.1 SIMULINK简介 222

8.1.1 SIMULINK概述 222

8.1.2 SIMULINK的启动与界面 223

8.2 SIMULINK基本操作 227

8.2.1　模型窗口 227

8.2.2　模块的操作处理 228

8.2.3　模块的连接 229

8.2.4　系统模型图的创建 230

8.2.5 自定义模块库和子系统 232

8.2.6　模型文件的保存与打开 236

本章小结 236

思考题与习题 237

第9章　控制系统的SIMULINK仿真 239

本章学习目标 239

9.1 SIMULINK仿真的参数设置 239

9.1.1 系统模型的实时操作与仿真参数设置 239

9.1.2 Solver解算器选项卡的参数设置 240

9.1.3 Workspace I/O工作空间选项卡参数设置 241

9.2　控制系统的SIMULINK仿真 242

9.2.1　利用SIMULINK系统仿真模型的仿真处理 242

9.2.2　利用SIMULINK动态结构图的仿真处理 249

本章小结 254

思考题与习题 254

第10章　控制系统的计算机仿真应用实例 256

本章学习目标 256

10.1 问题的描述 256

10.2　系统的模型表示 257

10.3　系统的仿真设计 257

10.3.1　利用MATLAB进行仿真设计 257

10.3.2　利用Simulink进行仿真设计 261

本章小结 263

参考文献 264