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
电力拖动自动控制系统的应用 1
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
控制系统计算机仿真 2
控制系统计算机仿真的过程 3
1.3控制系统MATLAB计算与仿真 3
先进的软件MATLAB 3
控制系统的MATLAB计算与仿真 6
上篇 MATLAB语言基础 7
第2章 MAT LAB 7.1系统概述 7
2.1 MATLAB 7.1安装与启动 7
MATLAB 7.1的安装 7
Notebook的安装 11
MATLAB 7.1的启动 11
Notebook的启动 12
2.2 MATLAB 7.1的系统界面 13
MATLAB 7.1系统的4个小窗口 13
MATLAB 7.1的命令窗口（Command Window） 14
MATLAB 7.1菜单项命令 15
MATLAB 7.1工具栏按钮 21
Start开始按钮 21
2.3 MATLAB 7.1的内容及其查找 21
MATLAB 7.1的内容 22
MATLAB 7.1内容的查找 25
MATLAB 7.1的模糊查询 27
MATLAB 7.1的Work子目录 27
2.4 MATLAB的文字处理工具Notebook 27
Notebook菜单命令简介 28
Notebook的使用 28
Notebook使用的几个问题 29
第3章 MATLAB数值运算 30
3.1 MATLAB的数值运算基础 30
常量 30
变量 31
MATLAB运算符 31
3.2 MATLAB的数组、矩阵运算 33
数组、矩阵的概念 33
数组或矩阵元素的标识 34
数组与矩阵的输入 35
数组、矩阵的算术运算 37
矩阵的特有运算 41
数组的关系运算 48
数组的逻辑运算 48
3.3 MATLAB的数组函数与矩阵函数 49
数组函数 49
矩阵函数 50
3.4多项式及其运算 51
多项式运算函数 52
多项式运算举例 52
3.5 MATLAB的数学表达式及其书写 54
MATLAB的数学表达式 54
MATLAB数学表达式的书写 54
第4章 MATLAB符号运算基础 56
4.1 MATLAB符号运算概述 56
MATLAB符号运算入门 56
MATLAB符号运算的几个基本概念 57
4.2 MATLAB符号对象的基本运算与关系运算 59
4.3 MATLAB符号运算的基本函数 59
符号变量代换及其函数subs（） 60
符号对象转换为数值对象的函数double（）、digits（）、vpa（）、numeric（） 60
MATLAB符号表达式的化简 61
4.4 MATLAB符号微积分运算 62
MATLAB符号极限运算 63
MATLAB符号函数微分运算 63
MATLAB符号函数积分运算 64
符号求和函数与Taylor（泰勒）级数展开函数 65
4.5 MATLAB符号矩阵的几种特殊运算 67
矩阵的微分与积分 67
Jacobian矩阵 68
矩阵的Jordan标准形 69
4.6 MATLAB符号方程求解 70
MATLAB符号代数方程求解 70
MATLAB符号微分方程求解 71
4.7复变函数计算的MATLAB实现 73
复数的概念 73
MATLAB关于复变量的函数命令 73
复数的生成与创建复矩阵 74
复数的几何表示 75
复数代数运算的MATLAB实现 76
第5章 MATLAB程序设计 79
5.1 M文件、MATLAB函数与MATLAB程序 79
M文件 79
MATLAB函数 79
MATLAB命令文件或程序 81
5.2 MATLAB程序设计基础 82
MATLAB程序设计基本规则 83
表达式、表达式语句与赋值语句 83
程序流程控制语句 84
程序流程控制指令 89
5.3 MATLAB程序设计再举例 90
第6章 MATLAB 7.1常用图形命令与符号函数图形命令 92
6.1 MATLAB的常用图形命令 92
绘图函数plot（） 92
绘图坐标系的调整 93
图形标注 93
多次重叠绘制图形 95
图形窗口的分割 97
6.2 MATLAB的特殊坐标绘图函数 97
对数坐标曲线 97
极坐标曲线 98
双y轴坐标曲线 98
复数的图形曲线 99
6.3 MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数 100
MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem（） 100
MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs（） 100
6.4 MATLAB符号函数的图形命令 101
符号函数的简捷绘图函数命令ezplot（） 101
符号函数的绘图函数命令fplot（） 103
符号函数的极坐标绘图函数命令ezpoar（） 104
中篇 控制系统MATLAB仿真基础 105
第7章 MATLAB7.1的仿真集成环境Simulink 6.3 105
7.1 Simulink仿真特色与其模型窗口 105
Simulink仿真特色 105
进入MATLAB 7.1的Simulink 6.3 106
Simulink 6.3的模型窗口概述 107
7.2 Simulink 6.3的界面与组成 110
Simulink 6.3功能模块组的打开与关闭 111
Simulink 6.3功能模块的分类及其用途 112
有关Simulink 6.3的几个问题 123
7.3用Simulink建立系统模型 123
打开模型窗口的方法 124
模块的查找与选择 124
模块的复制、移动与删除 124
模块的连接 126
模块标题名称的修改 127
系统结构图模型标题名称的标注与修改 127
创建模型的取消与复原操作 127
模型文件的保存与打开 127
模型框图的打印 128
Simulink建模注意事项 128
7.4常用15个模块内部参数的设置或修改 128
7.5观察Simulink的仿真结果 135
使用示波器模块观察仿真输出 135
使用To Workspace模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中 137
使用Out模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中 139
7.6 Simulink的分析工具 140
模型线性化概述 140
连续系统的线性化模型 140
7.7自定义子系统与子系统的封装 141
自定义子系统 141
子系统的封装 143
第8章 常用电气系统（SimPowerSystems）实体图形化仿真模型 147
8.1基本电路元件的仿真模型 147
电源 147
RLC元件 149
8.2常用电机与变压器的仿真模型 150
电机 150
变压器 154
8.3基本电力电子器件的仿真模型 156
二极管（Diode） 156
晶闸管（Thyristor） 158
可关断晶闸管（GTO） 159
电力场效应管（MOSFET） 161
绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 162
理想开关（Ideal Switch） 163
多功能桥式整流电路（Universal Bridge） 164
8.4电力电子变流器典型驱动装置的仿真模型 165
同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator） 166
同步12脉冲触发器（Synchronized 12-Pulse Generator） 167
脉宽调制PWM脉冲发生器（PWM Generator） 167
脉冲信号发生器（Pulse Generator） 169
8.5常用测量元件的仿真模型 170
电压测量（Voltage Measure-ment） 170
电流测量（Current Measure-ment） 171
万用表（Multimeter） 171
三相电压电流测量（Three-Phase V-I Measurement） 172
选路器或选择开关（Selector） 173
第9章 控制系统数学模型的MATLAB实现 175
9.1 LTI 3种对象及其属性 175
LTI对象与set（）函数 175
3种对象的属性 175
9.2控制系统数学模型对象的种类及转换 176
控制系统数学模型 176
3种系统数学模型之间的转换 179
第4种系统数学模型对象（Simulink模型） 181
9.3环节方框图模型的化简 182
环节串联连接的化简 182
环节并联连接的化简 183
环节反馈连接的化简 183
9.4用系统Simulink模型结构图化简控制系统模型 184
9.5控制系统3类基本数学模型及举例 185
第10章 连续系统时域分析的MATLAB实现 189
10.1控制系统时域分析的几个基本概念 189
10.2 Laplace变换及反变换 191
Laplace变换与反变换的概念 191
两个特殊函数的表示法 192
计算用图形表示的函数的Laplace变换 192
计算函数的Laplace变换 194
利用留数将象函数表达式展成部分分式 195
用Laplace反变换求原函数 197
用Laplace变换定义传递函数 198
用Laplace反变换求解微分方程 199
10.3 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真 202
时域响应MATLAB仿真的函数指令格式 202
MATLAB函数指令时域响应仿真示例 205
10.4利用Simulink动态结构图的时域响应仿真示例 212
利用Simulink动态结构图模型指令方式下的时域响应仿真实例 212
在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真实例 213
第11章 连续系统稳定性分析的MATLAB实现 214
11.1控制系统稳定性分析概述 214
控制系统稳定性简述 214
控制系统有关稳定性的几个基本概念 214
11.2代数稳定判据的MATLAB实现 215
11.3用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现 217
11.4用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现 221
用Bode图判定系统稳定性 221
用Nyquist曲线判定系统稳定性 223
第12章 连续系统稳态误差计算的MATLAB实现 225
12.1控制系统误差（响应）与稳态误差及其误差传递函数 225
控制系统误差 225
控制系统稳态误差 225
控制系统稳态误差的计算原理 225
控制系统两个重要概念 226
闭环系统的误差传递函数 226
12.2控制系统稳态误差的计算 227
控制系统的静态误差系数与动态误差系数 227
三种典型信号给定输入作用下的稳态误差 230
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 233
从输出端定义的非单位负反馈系统的误差计算 236
扰动输入作用下的稳态误差计算 237
12.3控制系统稳态误差计算举例 240
第13章 连续系统根轨迹分析的MATLAB实现 241
13.1有关根轨迹的几个基本概念 241
13.2控制系统根轨迹分析的MATLAB实现 242
根轨迹分析MATLAB实现的函数指令格式 242
根轨迹分析的MATLAB实现再举例 244
13.3 MATLAB基于根轨迹的设计工具 247
根轨迹设计工具简述 247
根轨迹设计工具示例 249
第14章 连续系统频域分析的MATLAB实现 251
14.1有关频域分析的几个概念 251
14.2控制系统的频率特性 253
14.3连续系统频域分析的MATLAB实现 256
频域响应Bode图的函数指令格式及示例 256
频域分析Nyquist曲线的函数指令格式及示例 259
频域分析Nichols曲线的函数指令格式及示例 262
频域响应的模值裕度与相位裕度函数指令格式及示例 263
第15章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 269
15.1有关非线性系统分析的基本概念 269
15.2典型非线性特性的描述函数 271
15.3描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现 272
非线性系统自振分析 272
描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现示例 273
第16章 离散系统分析的MATLAB实现 279
16.1离散系统的基本概念 279
连续系统与离散系统 279
采样过程与采样定理 279
信号复现与零阶保持器 281
16.2 z变换与z反变换 282
z变换与z反变换的概念 282
MATLAB的z变换函数命令与使用 283
MATLAB的z反变换函数命令与使用 287
16.3差分方程的z变换解法 289
差分的概念 289
差分方程的概念 290
差分方程的求解 290
16.4离散控制系统的脉冲传递函数 291
脉冲传递函数的概念 291
开环系统脉冲传递函数及其举例 292
闭环系统脉冲传递函数及其举例 294
16.5离散系统稳定性分析的MATLAB实现 295
从s平面到z平面的映射 295
z域稳定条件及稳定判据 296
z平面到w平面的映射与在w平面应用稳定判据 297
16.6单位反馈离散系统稳态误差的MATLAB计算 300
单位阶跃输入作用时的稳态误差 300
单位斜坡函数输入作用时的稳态误差 300
单位加速度函数输入作用时的稳态误差 301
16.7离散系统动态性能分析的MATLAB实现示例 303
下篇 控制系统MATLAB计算及仿真 308
第17章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真 308
17.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真 308
自动控制系统的基本概念 308
简单闭环控制系统的数学模型 309
简单闭环控制系统的MATLAB仿真实例 310
线性时不变系统（LTI）观测器 316
17.2多闭环控制系统的MATLAB计算及仿真 319
多闭环控制系统概述 319
多闭环控制系统的数学模型 319
双闭环调速系统的MATLAB计算与仿真实例 319
三环控制系统的MATLAB计算与仿真 329
17.3转速负反馈闭环直流调速系统的实体图形化模型仿真 332
转速负反馈单闭环直流脉宽PWM-M调速系统的仿真 332
转速负反馈单闭环无差直流调速系统的仿真 334
转速、电流双闭环直流V-M调速系统的仿真 337
17.4位置随动系统的MATLAB计算及仿真 338
位置随动系统的概念 338
位置随动系统的控制特点 338
位置随动系统的分析方法与品质指标 339
位置随动系统MATLAB计算及仿真实例 339
17.5过程控制系统的MATLAB计算及仿真 349
生产过程控制的特点 349
过程控制中被控对象的动态特性 350
过程控制系统的性能指标 350
控制系统中延迟特性的处理 352
简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真 353
串级控制系统的MATLAB计算及仿真 355
前馈控制系统的MATLAB计算及仿真 358
大延迟系统的MATLAB计算及仿真 362
第18章 连续线性控制系统校正设计的MATLAB实现 366
18.1控制系统校正设计概述 366
经典控制系统的校正设计 366
控制系统校正设计的基本概念 366
控制系统的无源校正与有源校正 367
控制系统串联校正的基本思路 367
控制系统校正设计应注意的几个问题 368
18.2控制系统Bode图校正设计法 368
Bode图超前校正设计 369
Bode图滞后校正设计 376
Bode图滞后—超前校正设计 382
18.3控制系统根轨迹设计法 385
根轨迹超前校正设计 385
根轨迹滞后校正设计 392
18.4控制系统PID校正设计法 395
PID调节简述 395
PID调节规律 395
PID调节作用分析 396
PID校正设计方法 399
第19章 线性系统状态空间分析的MATLAB实现 410
19.1控制系统状态空间分析的基本概念 410
19.2系统状态空间表达式及其状态方程的解 412
状态空间表达式的建立 412
系统状态方程的解 414
求控制系统的特征方程、特征值及特征向量 416
连续系统状态方程的离散化 418
19.3系统状态方程的线性变换 420
传递矩阵 420
状态方程的线性变换 421
Vandermonde（范德蒙德）矩阵与Jordan（约当）标准形 424
19.4线性系统的可控性与可观性 426
线性系统的可控性 426
线性系统的可观测性 431
线性定常系统的实现问题 435
19.5系统状态反馈与状态观测器 437
系统的输出反馈与闭环系统的传递矩阵 437
系统的状态反馈与闭环系统的状态矩阵 438
系统的极点配置 438
系统的状态观测器 440
系统的状态降维观测器 441
19.6 Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现 445
系统稳定性概述 445
李亚普诺夫意义下的稳定性理论 446
线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析 447
李亚普诺夫方程的求解 450
第20章 线性二次型最优控制的MATLAB实现 452
20.1最优控制的基本概念 452
最优控制问题 452
最优控制的性能指标 453
最优控制问题的数学分类法 454
最优控制问题的求解方法 454
线性二次型最优控制 455
20.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 455
连续系统线性二次型最优控制 455
连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 456
连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现示例 456
20.3离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现 457
离散系统稳态线性二次型最优控制 457
离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现与示例 458
20.4最优观测器的MATLAB实现 460
连续时不变系统的Kalman滤波 460
Kalman滤波的MATLAB实现 461
Kalman滤波的MATLAB实现示例 462
20.5线性二次型Guass最优控制的MATLAB实现 463
LQG最优控制的求解 463
LQG最优控制的MATLAB实现与示例 464
附录 作者编写的MATLAB函数 466
参考文献 479