第1章 自动控制系统与仿真基础知识 1
1.1 引言 1
1.2 自动控制系统基本概念 1
1.2.1 开环控制系统与闭环控制系统 1
1.2.2 闭环控制系统组成结构 3
1.2.3 反馈控制系统品质要求 3
1.3 自动控制系统分类 4
1.3.1 线性系统和非线性系统 5
1.3.2 离散系统和连续系统 5
1.3.3 恒值系统和随动系统 6
1.4 控制系统仿真基本概念 6
1.4.1 计算机仿真基本概念 6
1.4.2 控制系统仿真 8
1.4.3 控制系统计算机仿真基本过程 9
1.4.4 计算机仿真技术发展趋势 9
1.5 MATLAB与控制系统仿真 10
1.6 MATLAB 7中控制相关的工具箱 10
第2章 MATLAB计算及仿真基础 14
2.1 引言 14
2.2 MATLAB概述 14
2.2.1 MATLAB发展历程 14
2.2.2 MATLAB系统构成 15
2.2.3 MATLAB 7常用工具箱 15
2.3 MATLAB桌面操作环境 16
2.3.1 MATLAB启动和退出 16
2.3.2 MATLAB主菜单及功能 17
2.3.3 MATLAB命令窗口 21
2.3.4 MATLAB工作空间 22
2.3.5 MATLAB文件管理 24
2.3.6 MATLAB帮助使用 24
2.4 MATLAB数值计算 25
2.4.1 MATLAB数值类型 25
2.4.2 矩阵运算 27
2.5 关系运算和逻辑运算 30
2.6 符号运算 31
2.6.1 符号运算基础 32
2.6.2 控制系统中常用的符号运算 32
2.7 复数和复变函数运算 33
2.7.1 复数运算基础 33
2.7.2 拉普拉斯变换及逆变换 37
2.7.3 Z变换及逆变换 38
2.8 MATLAB常用绘图命令 40
2.9 MATLAB程序设计 43
2.9.1 MATLAB程序类型 43
2.9.2 MATLAB程序流程控制 44
2.9.3 MATLAB程序基本设计原则 47
第3章 Simulink仿真基础 49
3.1 引言 49
3.2 Simulink仿真概述 49
3.2.1 Simulink的启动与退出 49
3.2.2 Simulink建模仿真 51
3.3 Simulink的模块库简介 53
3.3.1 Simulink模块库分类 53
3.3.2 控制系统仿真中常用的模块 54
3.4 Simulink功能模块的处理 56
3.4.1 Simulink模块参数设置 56
3.4.2 Simulink模块的基本操作 58
3.4.3 Simulink模块间的连线处理 59
3.5 Simulink仿真设置 59
3.5.1 仿真器参数设置 60
3.5.2 工作空间数据导入／导出设置 62
3.6 Simulink仿真举例 64
3.7 Simulink自定义功能模块 73
3.7.1 自定义功能模块的创建 73
3.7.2 自定义功能模块的封装 73
3.8 S函数设计与应用 75
3.8.1 S函数设计模板 75
3.8.2 S函数设计举例 78
第4章 控制系统数学模型 82
4.1 引言 82
4.2 动态过程微分方程描述 82
4.3 拉氏变换与控制系统模型 85
4.4 数学模型描述 87
4.4.1 传递函数模型 87
4.4.2 零极点形式的数学模型 88
4.4.3 状态空间模型 89
4.5 MATLAB/Simulink在模型中的应用 89
4.5.1 多项式处理相关的函数 89
4.5.2 建立传递函数相关的函数 90
4.5.3 建立零极点形式的数学模型相关函数 91
4.5.4 建立状态空间模型相关的函数 92
4.5.5 Simulink中的控制系统模型表示 92
4.5.6 应用实例 93
4.6 系统模型转换及连接 97
4.6.1 模型转换 97
4.6.2 模型连接 99
4.6.3 模型连接模型连接的MATLAB实现 101
4.7 非线性数学模型的线性化 102
4.8 综合实例及MATLAB/Simulink应用 103
习题 106
第5章 时域分析法 109
5.1 引言 109
5.2 时域响应分析 109
5.2.1 典型输入 109
5.2.2 线性系统时域响应一般求法 111
5.2.3 时域响应性能指标 112
5.2.4 一阶和二阶系统的时域响应 113
5.2.5 高阶系统的时域分析 117
5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用 119
5.3.1 时域分析中MATLAB函数的应用 119
5.3.2 时域响应性能指标求取 124
5.3.3 二阶系统参数对时域响应性能的影响 127
5.3.4 改善系统时域响应性能的一些措施 131
5.3.5 LTI Viewer应用 135
5.4 稳定性分析 139
5.4.1 稳定性基本概念 140
5.4.2 稳定性判据 140
5.4.3 稳态误差分析 143
5.4.4 MATLAB在稳定性分析中的应用 147
5.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 148
习题 155
第6章 根轨迹分析法 157
6.1 引言 157
6.2 根轨迹定义 157
6.3 根轨迹法基础 158
6.3.1 幅值条件和相角条件 158
6.3.2 绘制根轨迹的一般法则 160
6.3.3 与根轨迹分析相关的MATLAB函数 162
6.3.4 根轨迹分析与设计工具rltool 164
6.3.5 利用MATLAB绘制根轨迹图举例 165
6.4 其他形式的根轨迹 170
6.4.1 正反馈系统的根轨迹 170
6.4.2 参数根轨迹 171
6.4.3 时滞系统的根轨迹 171
6.4.4 利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例 172
6.5 用根轨迹法分析系统的暂态特性 174
6.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 177
习题 181
第7章 频域分析法 183
7.1 引言 183
7.2 频率特性基本概念 183
7.2.1 频率特性定义 183
7.2.2 频域分析法的特点 184
7.2.3 频域性能指标 185
7.3 频率特性的表示方法 185
7.3.1 极坐标图（Nyquist图） 186
7.3.2 对数坐标图（Bode图） 186
7.3.3 对数幅相图（Nichols图） 187
7.3.4 典型环节的频率特性 187
7.4 系统开环频率特性作图 189
7.4.1 开环对数频率特性作图 189
7.4.2 开环极坐标作图 190
7.5 频率响应分析 191
7.5.1 开环频率特性的性能分析 191
7.5.2 闭环频率特性的性能分析 193
7.6 MATLAB在频率法中的应用 197
7.6.1 求取和绘制频率响应曲线相关的函数 197
7.6.2 应用实例 199
7.7 频率法的稳定性分析 202
7.7.1 Nyquist稳定判据 202
7.7.2 稳定裕度 204
7.7.3 MATLAB在稳定性分析中的应用 206
习题 211
第8章 控制系统校正与综合 213
8.1 引言 213
8.2 控制系统校正与综合基础 213
8.2.1 控制系统性能指标 213
8.2.2 控制系统校正概述 214
8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用 216
8.3.1 PID控制器概述 217
8.3.2 比例（P）控制 217
8.3.3 比例微分（PD）控制 218
8.3.4 积分（I）控制 221
8.3.5 比例积分（PI）控制 221
8.3.6 比例积分微分（PID）控制 222
8.3.7 PID控制器参数整定 223
8.4 控制系统校正的根轨迹法 234
8.4.1 基于根轨迹法的超前校正 235
8.4.2 基于根轨迹法的滞后校正 235
8.4.3 基于根轨迹法的超前滞后校正 236
8.4.4 MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用 236
8.5 控制系统校正的频率响应法 244
8.5.1 基于频率法的超前校正 244
8.5.2 基于频率法的滞后校正 245
8.5.3 MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用 245
8.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 250
习题 256
第9章 线性系统状态空间分析 258
9.1 引言 258
9.2 线性系统状态空间基础 258
9.2.1 状态空间基本概念 258
9.2.2 状态空间实现 260
9.2.3 状态空间的标准型 268
9.2.4 状态方程求解 271
9.2.5 MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用 276
9.3 线性系统的状态可控性与状态可观性 283
9.3.1 状态可控性 283
9.3.2 状态可观性 284
9.3.3 对偶系统和对偶原理 285
9.3.4 可控标准型和可观标准型 286
9.3.5 MATLAB在可控和可观标准型中的应用 290
9.4 线性系统稳定性分析 294
9.4.1 稳定性分析基础 294
9.4.2 李雅普诺夫稳定性分析 295
9.4.3 MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用 298
9.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 298
习题 302
第10章 线性系统状态空间设计 305
10.1 引言 305
10.2 状态反馈与极点配置 305
10.2.1 状态反馈 305
10.2.2 输出反馈 306
10.2.3 极点配置 308
10.2.4 MATLAB/Simulink在极点配置中的应用 309
10.3 状态观测器 314
10.3.1 状态观测器的基本概念 314
10.3.2 全维状态观测器 316
10.3.3 降维状态观测器 321
10.3.4 MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用 323
10.4 综合实例及MATLAB/Simulink应用 325
习题 331
第11章 非线性系统 333
11.1 引言 333
11.2 非线性系统概述 333
11.2.1 非线性控制理论发展概况 333
11.2.2 典型非线性特性 334
11.2.3 Simulink中的非线性模块 336
11.3 相平面法 339
11.3.1 相平面法基础知识 339
11.3.2 MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用 341
11.4 描述函数法 348
11.4.1 描述函数基本概念 348
11.4.2 描述函数定义 348
11.4.3 描述函数的计算 349
11.4.4 非线性系统的稳定性分析 351
11.5 MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用 352
11.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 355
习题 360
第12章 离散控制系统 361
12.1 引言 361
12.2 离散控制系统基本概念 361
12.2.1 离散控制系统概述 361
12.2.2 离散信号的数学描述 363
12.3 离散控制系统的研究方法 366
12.3.1 线性连续与离散控制系统研究方法类比 366
12.3.2 MATLAB中的离散控制系统相关的函数 368
12.4 Z变换 368
12.4.1 离散信号的Z变换 369
12.4.2 Z变换与Z反变换常用方法 370
12.5 离散控制系统数学模型 373
12.5.1 离散系统时域数学模型 373
12.5.2 离散系统频域数学模型 375
12.6 离散控制系统性能分析 382
12.6.1 离散控制系统的稳定性 382
12.6.2 离散控制系统静态误差分析 383
12.6.3 离散控制系统动态特性分析 385
12.6.4 MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用 387
12.7 综合实例及MATLAB/Simulink应用 400
习题 405
第13章 最优控制 407
13.1 引言 407
13.2 最优控制问题的描述 407
13.3 线性二次型最优控制问题 408
13.4 MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用 409
13.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 410
习题 414
附录A 控制系统相关的MATLAB函数 415
附录B Simulink模块库 419
参考文献 433