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第1部分 控制系统MATLAB计算及仿真的解题实训 1

第1章MATLAB的程序设计 1

1.1有关MATLAB程序设计的基本概念 1

1.2 MATLAB程序设计基本规则 2

1.3有关MATLAB程序设计举例 2

1.3.1自然数列求和与由自然数列中每个自然数的倒数所组成的数列求和 2

1.3.2杨辉三角形或Pascal三角形与Pascal矩阵 3

1.3.3 Fibonacci数列 4

1.3.4闰年 4

1.3.5 Vandermonde矩阵 5

1.3.6编程序写出以一直角边最长为任意整数值长的勾股弦数 6

1.3.7编程再举例 6

习题 8

第2章MATLAB 7.5的仿真集成环境Simulink 7.0 9

2.1 Simulink仿真特色与其模型窗口 9

2.1.1 Simulink仿真特色 9

2.1.2进入MATLAB 7.5的Simulink 7.0 10

2.1.3 Simulink 7.0的模型窗口概述 10

2.2 Simulink 7.0的界面与组成 13

2.2.1 Simulink 7.0功能模块组的打开与关闭 13

2.2.2 Simulink 7.0功能模块的分类及其用途 14

2.3用Simulink建立系统仿真模型 17

2.3.1打开模型窗口的方法 18

2.3.2模块的查找与选择 18

2.3.3模块的复制、移动与删除 18

2.3.4模块的连接 19

2.4常用15个模块内部参数的设置或修改 20

2.5用Simulink建立系统仿真模型实例 27

第3章 常用电气系统（SimPowerSystems）实体图形化仿真模型 29

3.1电气系统（SimPowerSystems）实体图形化模型库简介 29

3.1.1电源（Electrical Sources）模块组 30

3.1.2电器元件（Elements）模块组 30

3.1.3电力电子元件（Power Electronics）模块组 31

3.1.4电机（Machines）模块组 32

3.1.5电气测量仪表（Measurements）模块组 32

3.2基本电路元件的仿真模型 33

3.2.1普通电源 33

3.2.2受控电源 34

3.2.3 RLC元件 35

3.3常用电机与变压器的仿真模型 37

3.3.1电机 37

3.3.2变压器 40

3.4基本电力电子器件的仿真模型 43

3.4.1二极管（Diode） 43

3.4.2晶闸管（Thyristor） 45

3.4.3门极关断晶闸管（GTO） 47

3.4.4电力场效应晶体管（MOSFET） 48

3.4.5绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 50

3.4.6理想开关（Ideal Switch） 51

3.4.7多功能桥式整流电路（Universal Bridge） 52

3.5电力电子变流器典型驱动装置的仿真模型 53

3.5.1同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator） 54

3.5.2同步12脉冲触发器（Synchronized 12-Pulse Generator） 55

3.5.3 PWM脉冲发生器（PWM Generator） 56

3.5.4脉冲信号发生器（Pulse Generator） 58

3.6常用测量元件的仿真模型 59

3.6.1电压测量（Voltage Measurement） 59

3.6.2电流测量（Current Measurement） 59

3.6.3三相电压电流测量（Three-Phase V-I Measurement） 60

3.6.4选路器或选择开关（Selector） 61

3.7用“SimPowerSystems”创建系统仿真模型 62

第4章 控制系统数学模型的MATLAB实现 64

4.1设置或修改LTI对象的属性值函数set（） 64

4.2控制系统数学模型 65

4.3控制系统模型转换与化简 69

4.4用系统Simulink结构图模型化简控制系统模型 71

习题 73

第5章 连续系统时域分析的MATLAB实现 76

5.1 Laplace变换及反变换的MATLAB实现 76

5.1.1 MATLAB系统中Laplace变换与反变换的函数命令 76

5.1.2两个特殊函数的表示法 76

5.1.3计算函数的Laplace变换 77

5.1.4计算用图形表示函数的Laplace变换 79

5.1.5利用留数将象函数表达式展成部分分式 83

5.1.6用Laplace反变换求原函数 84

5.1.7 Laplace变换的卷积与卷积定理 85

5.1.8用Laplace变换定义传递函数 86

5.1.9用Laplace反变换求解微分方程 88

5.2 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真 91

5.2.1一阶系统时域分析的MATLAB实现 91

5.2.2二阶及高阶系统时域分析的MATLAB实现 93

5.3利用Simulink动态结构图的时域响应仿真 99

5.3.1解算系统闭环传递函数的两种方法 99

5.3.2利用Simulink动态结构图模型程序方式下的时域响应仿真 99

5.3.3在Simulink模型窗口里菜单方式下的时域响应仿真 100

习题 102

第6章 连续系统稳定性分析的MATLAB实现 104

6.1代数稳定判据的MATLAB实现 104

6.1.1用系统特征方程的根判定系统稳定性 104

6.1.2用Lienard-Chipard稳定判据判定系统稳定性 105

6.2用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现 106

6.3用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现 110

6.3.1用Bode图法判断系统稳定性 110

6.3.2用Nyquist曲线法判断系统稳定性 112

习题 115

第7章 连续系统稳态误差计算的MATLAB实现 117

7.1控制系统的静态误差系数与动态误差系数 117

7.2三种典型信号给定输入作用下的稳态误差 120

7.3从输出端定义的非单位负反馈系统的误差的计算 123

7.4扰动输入作用下的稳态误差计算 124

7.5绘制误差响应曲线 125

习题 127

第8章 连续系统根轨迹分析的MATLAB实现 130

8.1控制系统根轨迹分析的MATLAB实现 130

8.1.1根轨迹分析MATLAB实现的函数指令格式 130

8.1.2根轨迹分析的MATLAB实现举例 131

8.2基于根轨迹的设计工具 139

习题 142

第9章 连续系统频域分析的MATLAB实现 143

9.1控制系统的频率特性 143

9.2控制系统Bode图及其模值裕度与相位裕度 146

9.3控制系统Nyquist曲线 150

习题 153

第10章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 155

10.1非线性系统特性简述 155

10.2非线性系统自振 155

10.2.1非线性系统的典型结构 155

10.2.2自动控制系统中典型非线性特性 156

10.3非线性系统自振分析 157

10.4描述函数法分析非线性系统自振的MATLAB实现 158

习题 173

第11章 离散系统分析与校正的MATLAB实现 175

11.1用MATLAB工具解算z变换与z反变换 175

11.2差分方程的z变换解法 177

11.3离散控制系统的脉冲传递函数 178

11.4离散系统时域分析的 MATLAB实现 182

11.4.1离散系统时域响应的MATLAB实现 182

11.4.2离散系统稳定性分析的MATLAB实现 185

11.4.3离散系统稳态误差计算的MATLAB实现 185

11.5离散系统根轨迹分析的MATLAB实现 186

11.6离散系统动态性能分析的MATLAB实现再举例 189

11.7线性离散系统数字校正的MATLAB实现 193

11.7.1数字控制器的脉冲传递函数 193

11.7.2最少拍系统的设计 193

11.7.3离散系统数字校正的MATLAB实现 194

习题 195

第12章 连续线性控制系统校正设计的MATLAB实现 197

12.1控制系统校正设计几个问题的说明 197

12.2控制系统Bode图校正设计的MATLAB实现 199

12.2.1控制系统Bode图常规设计法超前校正设计的MATLAB实现 199

12.2.2控制系统Bode图常规设计法滞后校正设计的MATLAB实现 200

12.3控制系统根轨迹设计的MATLAB实现 206

12.3.1控制系统根轨迹超前校正设计的MATLAB实现 206

12.3.2控制系统根轨迹滞后校正设计的MATLAB实现 208

12.4控制系统P、 PI、 PID校正设计的MATLAB实现 210

12.4.1控制系统Ziegler-Nichols整定公式校正设计的MATLAB实现 211

12.4.2控制系统Cohen-Coon整定公式的校正设计的MATLAB实现 211

12.4.3控制系统最优控制（误差积分指标最优）校正设计的MATLAB实现 212

12.4.4控制系统稳定边界法的P、 PI、 PID校正设计的MATLAB实现 215

习题 218

第13章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真 219

13.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真 219

13.2多闭环控制系统MATLAB计算及仿真 225

13.3转速负反馈闭环直流调速系统的SimPowerSystems模型仿真 232

13.3.1单闭环直流脉宽PWM-M调速系统的SimPowerSystems模型仿真 232

13.3.2转速微分负反馈双环直流V-M调速系统的SimPowerSystems模型仿真 235

13.4位置随动系统的MATLAB仿真与稳态误差分析 237

13.4.1位置随动系统的动态校正设计 237

13.4.2位置随动系统的稳态误差分析 243

13.5过程控制系统的MATLAB计算及仿真 246

13.5.1简单回路控制系统的动态校正设计 246

13.5.2前馈控制系统的MATLAB计算及仿真 249

13.5.3大延迟控制系统的MATLAB动态校正设计 252

习题 256

第14章 线性系统状态空间分析的MATLAB实现 259

14.1系统状态空间描述及其状态方程求解 259

14.1.1状态空间表达式的建立 259

14.1.2求控制系统的状态转移矩阵Φ（t） 262

14.1.3求控制系统的传递矩阵G（s） 264

14.1.4求控制系统的特征方程、特征值及特征向量 265

14.1.5求控制系统的状态方程的解 266

14.1.6连续系统状态方程的离散化 266

14.2系统状态方程的线性变换 267

14.2.1控制系统的P变换 267

14.2.2控制系统的P-1变换 268

14.2.3将状态方程化为对角标准型 269

14.2.4将状态方程化为约当标准型 272

14.3线性系统的可控性与可观性 274

14.3.1线性系统的可控性 274

14.3.2线性系统的可观性 277

14.4系统状态反馈与状态观测器 281

14.4.1系统的极点配置 281

14.4.2系统的状态观测器 283

14.4.3系统的状态降维观测器 286

14.5Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现 294

14.5.1李雅普诺夫函数与李雅普诺夫函数方程 295

14.5.2李雅普诺夫稳定性理论 295

习题 296

第15章 线性二次型最优控制的MATLAB实现 300

15.1连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 300

15.2离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 303

15.3最优观测器（Kalman滤波）的MATLAB实现 304

15.4线性二次型Gauss最优控制器的MATLAB实现 306

习题 308

第2部分 控制系统MATLAB计算及仿真的实验实训 309

第16章MATLAB仿真基础实验实训 309

【实验实训16-1】 MATLAB 7.5系统的安装、启动与卸载 309

【实验实训16-2】 MATLAB 7.5系统界面、菜单认识与内容查找 310

【实验实训16-3】Simulink 7.0系统界面与菜单认识 310

【实验实训16-4】典型模块的参数设置 310

【实验实训16-5】仿真模型图的绘制 311

【实验实训16-6】程序方式下与Notebook方式下运行MATLAB程序 311

第17章 自动控制原理MATLAB实验实训 312

【实验实训17-1】控制系统数学模型的MATLAB实现 312

【实验实训17-2】连续系统时域分析的MATLAB实现 312

【实验实训17-3】控制系统稳定性分析的MATLAB实现 313

【实验实训17-4】控制系统稳态误差分析的MATLAB实现 313

【实验实训17-5】控制系统根轨迹分析的MATLAB实现 313

【实验实训17-6】控制系统频域分析的MATLAB实现 314

【实验实训17-7】描述函数分析非线性系统的MATLAB实现 314

【实验实训17-8】离散系统分析与校正的MATLAB实现 314

【实验实训17-9】线性系统状态空间分析的MATLAB实现 315

【实验实训17-10】线性二次型最优控制的MATLAB仿真 315

第18章 连续控制系统校正设计的MATLAB实验实训 316

【实验实训18-1】 Bode图常规设计超前、滞后校正的MATLAB实现 316

【实验实训18-2】 Bode图非常规滞后、超前校正的MATLAB实现 316

【实验实训18-3】根轨迹解析法超前、滞后校正的MATLAB实现 316

【实验实训18-4】用Ziegler- Nichols公式进行P、 PI、 PID校正的MATLAB实现 317

【实验实训18-5】用Cohen-Coon公式进行P、 PI、 PD、 PID校正的MATLAB实现 317

【实验实训18-6】用IAE、 ISE、 ITAE积分值最小准则公式进行P、 PI、 PID校正的MATLAB实现 317

【实验实训18-7】用稳定边界法进行P、 PI、 PID校正的MATLAB实现 318

第19章 生产过程控制系统MATLAB仿真实验实训 319

【实验实训19-1】简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真 319

【实验实训19-2】前馈控制系统的MATLAB计算及仿真 319

【实验实训19-3】大延迟控制系统的MATLAB计算及仿真 319

【实验实训19-4】串级控制系统的MATLAB计算及仿真 320

第3部分 控制系统MATLAB计算及仿真课程设计与毕业设计实训 322

第20章 自动控制仿真课程设计与毕业设计实训 322

【课程设计实训20-1】根轨迹分析的MATLAB计算及仿真 322

【课程设计实训20-2】离散系统MATLAB计算及仿真 325

【课程设计实训20-3】过程控制系统的MATLAB计算及仿真 331

【课程设计实训20-4】控制系统状态空间分析的MATLAB设计 334

【毕业设计实训20-5】单闭环直流调速系统设计 339

【毕业设计实训20-6】双闭环直流调速系统数学模型与SimPowerSystems模型仿真 345

附录 自编函数 351

参考文献 392