控制系统MATLAB计算及仿真 第2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

1.1.1电力拖动自动控制系统的应用 1

上篇 MATLAB计算及仿真语言基础 1

1.1.2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

1.2.1系统计算机仿真 2

1.2.2控制系统计算机仿真的过程 3

1.3.1 先进的软件MATLAB 4

1.3控制系统MATLAB计算与仿真 4

1.3.2控制系统的MATLAB计算与仿真 7

第2章 MATLAB 6.5系统概述 8

2.1 MATLAB6.5安装与启动 8

2.1.1 MATLAB 6.5的安装 8

2.1.2 Notebook的安装 11

2.1.3 MATLAB6.5（即MATLAB R13）的启动 12

2.1.4 Notebook的启动 13

2.2.1 MATLAB 6.5的系统界面 14

2.2 MATLAB 6.5的系统界面 14

2.2.2 MATLAB 6.5菜单项命令 15

2.2.3 MATLAB 6.5工具栏按钮 21

2.2.4 MATLAB 6.5系统界面的窗口 22

2.2.5 Start开始按钮 24

2.3 MATLAB 6.5的内容及其查找 24

2.3.1 MATLAB 6.5的内容 24

2.3.2 MATLAB 6.5的内容查找 26

2.4.1 Notebook简介 29

2.4 MATLAB的文字处理工具Notebook 29

2.3.3 MATLAB 6.5的Work子目录 29

2.4.2 Notebook菜单命令简介 30

2.4.3 Notebook的使用 30

2.4.4 Notebook使用的几个问题 34

第3章 MATLAB数值运算 36

3.1MATLAB的数值运算基础 36

3.1.1常量 36

3.1.2变量 36

3.1.3 MATLAB运算符 37

3.2 MATLAB的数组、矩阵运算 40

3.2.1数组、矩阵的概念 40

3.2.2数组或矩阵元素的标识 40

3.2.3数组与矩阵的输入 43

3.2.4数组、矩阵的算术运算 45

3.2.5向量及其运算 51

3.2.6矩阵的特有运算 55

3.2.7数组的关系运算 64

3.2.8数组的逻辑运算 65

3.2.9特殊字符数组——字符串 66

3.3 MATLAB的数组函数与矩阵函数 67

3.3.1数组函数 67

3.3.2矩阵函数 68

3.4多项式及其运算 71

3.4.1多项式运算函数 71

3.4.2多项式运算举例 72

3.5.1 MATLAB的数学表达式 74

3.5.2 MATLAB数学表达式书写 74

3.5 MATLAB的数学表达式及其书写 74

第4章 MATLAB符号运算基础 76

4.1 MATLAB符号运算入门概述 76

4.1.1 MATLAB符号运算入门 76

4.1.2 MATLAB符号运算的几个基本概念 77

4.2 MATLAB符号对象的基本运算与关系运算 79

4.3 MATLAB符号运算的基本函数 80

4.3.1符号变量代换及其函数subs() 80

4.3.2符号对象转换为数值对象的函数double()、digits()、vap()、numeric() 80

4.3.3 MATLAB符号表达式的化简 81

4.4 MATLAB符号微积分运算 83

4.4.1 MATLAB符号极限运算 83

4.4.2 MATLAB符号函数微分运算 84

4.4.3 MATLAB符号函数积分运算 85

4.4.4符号求和函数与taylor（泰勒）级数展开函数 86

4.5 MATLAB符号矩阵的几种特殊运算 88

4.5.1矩阵的微分与积分 88

4.5.2 Jacobian矩阵 89

4.5.3矩阵的Jordan标准形 90

4.6.1 MATLAB符号代数方程求解 92

4.6 MATLAB符号方程求解 92

4.6.2 MATLAB符号微分方程求解 93

第5章 MATLAB的程序设计 96

5.1 M文件、MATLAB函数与MATLAB程序 96

5.1.1 M文件 96

5.1.2 MATLAB函数 96

5.1.3 MATLAB命令文件或程序 99

5.2 MATLAB程序设计基础 100

5.2.2表达式、表达式语句与赋值语句 101

5.2.1 MATLAB程序设计基本规则 101

5.2.3程序流程控制语句 102

5.2.4程序流程控制指令 108

5.3 MATLAB程序的交互式、调试与警示指令 109

5.3.1 MATLAB程序的交互式指令 109

5.3.2 MATLAB程序的调试指令 110

5.3.3 MATLAB程序的常用警示指令 111

6.1.1绘图函数plot() 112

6.1 MATLAB的常用图形命令 112

第6章 MATLAB常用图形命令与符号函数图形命令 112

6.1.2绘图坐标系的调整 113

6.1.3图形标注 113

6.1.4多次重叠绘制图形 116

6.1.5图形窗口的分割 117

6.2 MATLAB的特殊坐标绘图函数 118

6.2.1对数坐标曲线 118

6.2.2极坐标曲线 119

6.2.3双y轴坐标曲线 120

6.2.4复数的图形曲线 121

6.3 MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数 122

6.3.1 MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem() 122

6.3.2 MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs() 123

6.4 MATLAB符号函数的图形 124

6.4.1符号函数的简捷绘图函数命令ezblot() 124

6.4.2符号函数的绘图函数命令fplot() 127

7.1 Simulink 5.0仿真工具简介 129

7.1.1 Simulink仿真工具概述 129

中篇 控制系统MATLAB仿真基础 129

第7章 MATLAB的仿真集成环境Simulink 129

7.1.2 Simulink For Windows仿真工具的安装 131

7.2 Simulink5.0的界面与菜单 132

7.2.1 Simulink 5.0的界面形象 132

7.2.2 Simulink 5.0功能模块组的打开与关闭 132

7.2.3 Simulink 5.0功能模块的分类及其用途 133

7.2.4 Simulink模型窗口 143

7.3用Simulink建立系统模型 146

7.3.3模块的拷贝、移动与删除 147

7.3.1模型窗口 147

7.3.2模块的查找与选择 147

7.3.4模块的连接 149

7.3.5模块标题名称的修改 150

7.3.6系统模型标题名称的标注与修改 150

7.3.7模块内部参数的修改 151

7.3.8创建模型的取消与复原操作 153

7.3.9模型文件的保存与打开 153

7.4.1示波器 154

7.4观察Simulink的仿真结果 154

7.3.11 Simulink建模注意事项 154

7.3.10模型框图的打印 154

7.4.2使用示波器模块观察仿真输出 156

7.4.3使用To Workspace模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中 157

7.4.4使用out1模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中 159

7.5 Simulink的分析工具 159

7.5.1模型线性化概述 159

7.5.2连续系统的线性化模型 160

7.5.4Simulink平衡点的求取 161

7.5.5 Simulink里由状态方程转换成LTI（线性时不变系统）对象 161

7.5.3 离散系统的线性化模型 161

7.5.6在Simulink里绘制波德（Bode）图与时间响应图 162

第8章 控制系统数学模型的MATLAB实现 166

8.1 LTI三类对象及其属性 166

8.1.1LTI对象与set()函数 166

8.1.2三类对象的属性 166

8.2控制系统数学模型的种类及转换 167

8.2.1控制系统数学模型 168

8.2.2三种系统数学模型之间的转换 170

8.2.3 系统数学模型建立与转换再举例 173

8.3环节方框图模型的化简 175

8.2.4第四种系统数学模型 175

8.3.1环节串联连接的化简 176

8.3.2环节并联连接的化简 177

8.3.3环节反馈连结的化简 178

第9章 控制系统时域分析的MATLAB实现 180

9.1控制系统时域分析的几个基本概念 180

9.2 Laplace变换及反变换 182

9.2.1 Laplace变换与反变换的概念 182

9.2.2两个特殊函数的表示法 183

9.2.3计算用图形表示的函数的Laplace变换 184

9.2.4用Laplace变换定义传递函数 186

9.2.5 用Laplace反变换求时域解 189

9.3 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真 191

9.3.1 时域响应MATLAB仿真的函数指令格式 191

9.3.2 MATLAB函数指令时域响应仿真示例 195

9.4利用Simulink动态结构图的时域响应仿真示例 199

9.4.1利用Simulink动态结构图模型指令方式下的时域响应仿真实例 199

9.4.2在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真实例 200

第10章 控制系统稳定性分析的MATLAB实现 201

10.1控制系统稳定性分析简述 201

10.1.1控制系统稳定性分析简述 201

10.1.2控制系统有关稳定性的几个基本概念 202

10.2代数稳定判据的MATLAB实现 203

10.3用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现 206

10.4用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现 208

10.4.1 用Bode图法判断系统稳定性 209

10.4.2用Nyquist曲线法判断系统稳定性 210

第11章 控制系统稳态误差计算的MATLAB实现 211

11.1控制系统误差（响应）与稳态误差及其误差传递函数 211

11.1.1控制系统误差 211

11.1.2控制系统稳态误差 211

11.1.3控制系统稳态误差的计算原理 212

11.1.4控制系统两个相关概念 212

11.1.5闭环系统的误差传递函数 212

11.2控制系统稳态误差的计算 213

11.2.1控制系统的静态误差系数与动态误差系数 213

11.2.3三种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 216

11.2.2三种典型信号给定输入作用下的稳态误差 216

11.2.4从输出端定义的非单位负反馈系统的误差的计算 222

11.2.5扰动输入作用下的稳态误差计算 223

11.3控制系统稳态误差计算举例 225

第12章 根轨迹分析的MATLAB实现 229

12.1有关根轨迹的几个基本概念 229

12.2控制系统根轨迹分析的MATLAB实现 230

12.2.1根轨迹分析的MATLAB实现的函数指令格式 230

12.2.2根轨迹分析的MATLAB实现再举例 233

12.3 MATLAB基于根轨迹的设计工具 236

12.3.1根轨迹设计工具简述 236

12.3.2根轨迹设计工具示例 237

第13章 控制系统频域分析的MATLAB实现 239

13.1有关频域分析的几个概念 239

13.2控制系统频域分析的MATLAB实现 241

13.2.1频域响应Bode图的函数指令格式及示例 241

13.2.2频域响应Nyquist曲线的函数指令格式及示例 244

13.2.3频域响应Nichols曲线的函数指令格式及示例 249

13.2.4频域响应的模值裕度与相位裕度函数指令格式及示例 250

14.1有关非线性系统分析的几个概念 254

第14章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 254

14.2典型非线性的描述函数 256

14.3描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 258

14.3.1非线性系统自振分析 258

14.3.2描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现示例 259

15.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真 263

15.1.1 自动控制系统的几个基本概念 263

第15章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真 263

下篇 控制系统MATLAB计算及仿真 263

15.1.2简单闭环控制系统的数学模型 264

15.1.3简单闭环控制系统的MATLAB仿真实例 265

15.1.4线性时不变系统（LTI）观测器 272

15.2多闭环控制系统的MATLAB计算及仿真 275

15.2.1 多闭环控制系统概述 275

15.2.2多闭环控制系统的数学模型 275

15.2.3双闭环调速系统的MATLAB计算与仿真实例 275

15.2.4三环控制系统的MATLAB计算与仿真 285

15.3.3位置随动系统的分析方法与品质指标 289

15.3.2位置随动系统的控制特点 289

15.3.1位置随动系统的概念 289

15.3位置随动系统的MATLAB计算及仿真 289

15.3.4位置随动系统MATLAB计算及仿真实例 290

15.4过程控制系统的MATLAB计算及仿真 303

15.4.1 生产过程控制的特点 303

15.4.2过程控制中被控对象的动态特性 304

15.4.3过程控制系统的性能指标 304

15.4.4控制系统中延迟特性的处理 306

15.4.5简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真 308

15.4.6 串级控制系统的MATLAB计算及仿真 310

15.4.7前馈控制系统的MATLAB计算及仿真 313

15.4.8大延迟系统的MATLAB计算及仿真 317

第16章 自动控制系统的设计 322

16.1控制系统设计概述 322

16.1.1 经典控制系统的设计 322

16.1.2控制系统设计的几个概念 322

16.1.3控制系统的无源校正与有源校正 323

16.1.4控制系统串联校正的基本思路 323

16.2.1 Bode图超前校正设计 324

16.2控制系统Bode图设计法 324

16.2.2 Bode图滞后校正设计 332

16.2.3 Bode图滞后－超前校正设计 340

16.3控制系统根轨迹设计法 347

16.3.1根轨迹超前校正设计 347

16.3.2根轨迹滞后校正设计 356

16.4控制系统PID校正器设计法 360

16.4.1 PID调节简述 360

16.4.3 PID调节作用分析 361

16.4.2 PID调节规律 361

16.4.4 PID校正器设计方法 365

第17章 状态空间分析的MATLAB实现 378

17.1控制系统状态空间分析的几个基本概念 378

17.2系统状态空间表达式及其状态方程的解 381

17.2.1状态空间表达式的建立 381

17.2.2 系统状态方程的解 383

17.2.3连续系统状态方程的离散化 385

17.3系统状态方程的线性变换 387

17.3.1传递矩阵 388

17.3.2状态方程的线性变换 389

17.3.3 Vandermonde（范德蒙特）矩阵及Jordan（约当）标准形 392

17.4线性系统的可控性与可观性 394

17.4.1线性系统的可控性 395

17.4.2线性系统的可观测性 401

17.4.3线性定常系统的实现问题 406

17.5系统状态反馈与状态观测器 407

17.5.1 系统的输出反馈与闭环系统的传递矩阵 408

17.5.2 系统的状态反馈与闭环系统的状态矩阵 409

17.5.3 系统的极点配置 409

17.5.4 系统的状态观测器 411

17.5.5 系统的状态降维观测器 413

17.6 Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现 419

17.6.1 系统稳定性概述 419

17.6.2李亚普诺夫意义下的稳定性理论 419

17.6.3线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析 420

17.6.4李亚普诺夫方程的求解 421

第18章 线性二次型最优控制的MATLAB实现 424

18.1最优控制的基本概念 424

18.1.1最优控制问题 424

18.1.2最优控制的性能指标 425

18.1.3最优控制问题的数学分类法 426

18.1.4最优控制问题的求解方法 427

18.1.5线性二次型最优控制 427

18.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 428

18.2.1连续系统线性二次型最优控制 428

18.2.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 428

18.2.3连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现示例 429

18.3离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 430

18.3.1 离散系统稳态线性二次型最优控制 430

18.3.2 离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现与示例 431

18.4最优观测器的MATLAB实现 434

18.4.1连续时不变系统的Kalman滤波 434

18.4.2 Kalman滤波的MATLAB实现 435

18.4.3 Kalman滤波的MATLAB实现示例 436

18.5线性二次型Guass最优控制的MATLAB实现 438

18.5.1 LQG最优控制的求解 438

18.5.2 LQG最优控制的MATLAB实现与示例 439

附录 作者编写的MATLAB函数 441

参考文献 455