本书以先进计算机仿真软件MATLAB/Simulink在自动控制中的应用为编写宗旨,结合日常的教学和科研工作进行编撰。内容包括两大部分:**部分介绍MATLAB用于控制系统计算及仿真的有关知识;第二部分内容涵盖经典控制理论和现代控制理论的系统仿真。全书共分9章,包括:系统仿真的基本概念、MATLAB/Simulink的基本内容及使用方法、控制系统的数学模型及其转换、控制系统根轨迹、时域和频域的分析与校正、控制系统状态空间的分析与设计和控制系统的联合仿真。每个章节先对与自动控制有关的基本概念进行简要介绍,然后介绍MATLAB相关函数,并从实用的角度出发,通过大量典型样例,对MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自动控制中的应用进行详细论述。大部分内容和例子,已在本科生有关控制理论与控制工程的教学实践中做过实验和验证。
控制系统原理及MATLAB仿真实现_王敏_电子工业出版社_

前 言
自动控制领域里有大量烦琐的计算和仿真曲线绘制任务,在计算机高度发展的今天,利用计算机可以完成这一任务,即进行控制系统的仿真试验和研究,并进一步实现计算机控制。控制系统仿真是近20多年来发展起来的一门新兴技术学科,是对控制系统进行分析、设计和综合研究的一种很有效的手段。
由于MATLAB软件包含各种功能的工具箱,具有强大的运算功能,特别是MATLAB/ Simulink控制工具箱,内容丰富,门类齐全,覆盖了控制系统的各个领域,所以在控制系统仿真中得到广泛应用。
本书以先进计算机仿真软件MATLAB/Simulink在自动控制中的应用为编写宗旨,借鉴以往类似图书的经验,并结合日常的教学和科研工作进行编写。内容包括两大部分:**部分介绍MATLAB用于控制系统计算及仿真的有关知识;第二部分内容涵盖经典控制理论和现代控制理论的系统仿真。
每章先对与自动控制有关的基本概念进行简要介绍,然后介绍MATLAB相关函数,并从实用的角度出发,通过大量典型示例,对MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自动控制中的应用进行详细论述。大部分内容和例子已在本科生有关控制理论与控制工程的教学实践中做过实验和验证。
全书共分9章,包括系统仿真的基本概念、MATLAB/Simulink的基本内容及使用方法、控制系统的数学模型及其转换、控制系统根轨迹、时域和频域的分析与校正、控制系统状态空间的分析与设计和控制系统的联合仿真。
本书第1章、第8章和附录A由王敏编写,第2章、第5章由朱冰编写,第3章、第9章和附录B由王立恒编写,第4章由王敏和张国强编写,第6章由张国强编写,第7章由姚峰林编写,全书由王敏统稿。张科教授在百忙中审阅了全书,提出了许多宝贵的修改意见,李言俊教授对本书进行了**,余瑞星教授对本书编写给予了大力支持和指导,在此表示衷心感谢。
本书可作为高等院校自动化专业和电气信息类其他各专业学生的教材。本书具有较强的通用性和实用性,也可作为从事自动控制及相关专业的教学、研究、设计人员和工程技术人员的参考用书。
尽管我们为本书付出了心血和努力,但书中仍存在不足与疏漏之处,恳请广大读者批评指正。
编 者
2013年8月

目 录
第1章 概述 1
1.1 控制系统的研究方法 1
1.1.1 控制理论的发展 1
1.1.2 经典控制理论 2
1.1.3 现代控制理论 2
1.2 控制系统仿真的基本概念 2
1.2.1 控制系统的实验方法 2
1.2.2 模型的建立及分类 3
1.2.3 仿真实验的分类 3
1.2.4 数字仿真 4
1.3 控制系统仿真软件及过程 5
1.3.1 仿真软件 5
1.3.2 MATLAB仿真的优越性 6
1.3.3 仿真过程 6
1.4 仿真技术的应用及发展 7
1.4.1 仿真技术在工程中的应用 7
1.4.2 应用仿真技术的意义 8
1.4.3 仿真技术的发展趋势 8
小结 9
习题 9
第2章 MATLAB基础知识 10
2.1 MATLAB数据结构 10
2.1.1 数值型和逻辑型数据 10
2.1.2 字符和字符串型数据 12
2.1.3 结构体型数据 13
2.2 MATLAB基本控制流程 13
2.2.1 顺序结构 14
2.2.2 选择结构 14
2.2.3 循环结构 16
2.2.4 分支语句与其他流程控制语句 18
2.3 MATLAB的M函数设计 19
2.3.1 M函数的基本结构 20
2.3.2 M脚本式文件与M函数式文件的区别 23
2.3.3 M函数中的变量类型 23
2.3.4 M函数的跟踪调试 24
2.4 MATLAB的图形绘制 26
2.4.1 绘制二维图形 27
2.4.2 绘制三维图形 30
2.5 MATLAB的图形用户界面设计 34
小结 40
习题 40
第3章 Simulink交互式仿真集成环境 41
3.1 Simulink仿真概述 41
3.1.1 初识Simulink 41
3.1.2 在Simulink下工作 43
3.1.3 Simulink工作原理 45
3.2 Simulink模块及处理 46
3.2.1 Simulink模块库 46
3.2.2 Simulink模块处理 47
3.3 Simulink仿真设置 48
3.3.1 求解器设置面板 49
3.3.2 数据导入/导出面板 51
3.3.3 优化面板 52
3.3.4 诊断面板 52
3.4 子系统与模块封装技术 54
3.4.1 模型子系统 55
3.4.2 模块封装技术 56
3.4.3 自定义模型库 59
3.5 S-函数设计与应用 60
3.5.1 用m语言编写S-函数 61
3.5.2 用C语言编写S-函数 63
小结 66
习题 66
第4章 控制系统的数学模型 68
4.1 几种常用数学模型 68
4.1.1 传递函数模型 68
4.1.2 零极点增益模型 68
4.1.3 部分分式模型 69
4.1.4 状态空间模型 69
4.1.5 MATLAB/Simulink在数学模型建立中的应用 69
4.2 数学模型的相互转换 75
4.2.1 由传递函数求状态空间表达式 75
4.2.2 由状态空间表达式求传递函数 75
4.2.3 MATLAB/Simulink在数学模型转换中的应用 76
4.3 数学模型的连接 84
4.3.1 串联连接 85
4.3.2 并联连接 85
4.3.3 反馈连接 85
4.3.4 MATLAB/Simulink在数学模型连接中的应用 85
小结 91
习题 91
第5章 控制系统的时域分析 92
5.1 系统的稳定性分析 92
5.2 时域响应分析 94
5.2.1 系统的动态过程与稳态过程 94
5.2.2 时域内系统的主要性能指标 94
5.2.3 系统的时域响应分析 95
5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用 97
5.3.1 MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用 98
5.3.2 基于MATLAB的稳定性判断方法 103
5.3.3 MATLAB/Simulink在系统动态特性分析中的应用 107
5.3.4 MATLAB/Simulink在求取系统稳态特性中的应用 115
5.4 LTI Viewer在时域分析中的应用 118
5.4.1 LTI Viewer命令栏主要命令介绍 119
5.4.2 LTI Viewer的应用实例 121
小结 124
习题 124
第6章 控制系统的根轨迹分析 126
6.1 根轨迹法基本概念 126
6.1.1 根轨迹方程 126
6.1.2 绘制根轨迹的基本法则 127
6.2 其他形式的根轨迹 128
6.2.1 参数根轨迹 128
6.2.2 零度根轨迹 128
6.3 MATLAB/Simulink在根轨迹分析中的应用 129
6.3.1 绘制根轨迹的函数 129
6.3.2 计算根轨迹增益函数 130
6.3.3 绘制含阻尼系数和自然频率栅格线的系统根轨迹 131
6.4 根轨迹分析与设计工具rltool 132
6.4.1 rltool根轨迹设计窗口界面简介 133
6.4.2 命令菜单简介 133
小结 138
习题 138
第7章 控制系统的频域分析与校正 140
7.1 频率特性基本概念 140
7.1.1 系统的表示 140
7.1.2 频率特性定义 141
7.1.3 矢量表示 142
7.2 频率特性的表示方法 142
7.2.1 极坐标频率特性曲线 143
7.2.2 对数频率特性曲线 143
7.2.3 对数幅相特性曲线 144
7.3 频率分析法 144
7.3.1 开环极点与闭环极点的关系 144
7.3.2 频域稳定性判据 145
7.4 频率法稳定性分析 149
7.4.1 *小相位系统 149
7.4.2 原点处有开环极点的情况 149
7.4.3 非*小相位系统 151
7.5 MATLAB/Simulink在频域分析中的应用 152
7.5.1 频域分析的基本原理 152
7.5.2 MATLAB进行频域分析的方法 152
7.5.3 实例分析 154
7.6 MATLAB/Simulink在频域校正中的应用 156
7.6.1 相位超前校正 156
7.6.2 相位滞后校正 163
7.6.3 滞后-超前校正 168
7.6.4 串联PID校正 173
小结 181
习题 181
第8章 控制系统状态空间分析与设计 183
8.1 线性系统状态空间基础 183
8.1.1 状态空间的基本概念 183
8.1.2 状态空间表达式的标准形式 185
8.1.3 MATLAB/Simulink在状态空间表达式中的应用 186
8.2 状态空间表达式的解 188
8.2.1 连续系统状态方程的解 188
8.2.2 线性定常连续系统状态空间表达式的离散化 189
8.2.3 离散系统状态方程的解 190
8.2.4 MATLAB/Simulink在状态空间表达式求解中的应用 191
8.3 线性系统的状态能控性与能观性 192
8.3.1 线性定常连续系统状态能控性 192
8.3.2 线性定常连续系统状态能观性 193
8.3.3 离散系统状态能控性、能观性 195
8.3.4 MATLAB/Simulink在系统能控性、能观性分析中的应用 195
8.4 线性系统稳定性分析 200
8.4.1 概述 200
8.4.2 Lyapunov稳定性定理 200
8.4.3 Lyapunov稳定性分析 202
8.4.4 MATLAB/Simulink在线性系统稳定性分析中的应用 203
8.5 线性系统状态空间设计 207
8.5.1 线性反馈控制系统的基本结构 208
8.5.2 极点配置 209
8.5.3 状态观测器 210
8.5.4 MATLAB/Simulink在状态空间分析和设计中的应用 212
小结 217
习题 218
第9章 控制系统的联合仿真 219
9.1 基于S-函数的仿真扩展 219
9.1.1 硬件在回路的仿真扩展 219
9.1.2 网络分布式仿真的扩展 220
9.2 基于虚拟样机的联合仿真 222
9.2.1 虚拟样机技术 222
9.2.2 联合仿真的步骤 223
9.2.3 球棒系统的联合仿真 224
小结 229
习题 230
附录A 231
附录B 235
参考文献 248

本书大部分内容和实例在教学实践中做过实验和验证。