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出版说明 1

前言 1

第1章 控制系统仿真与计算机辅助设计概述 1

1.1 控制理论和控制系统概述 1

1.1.1 自动控制理论的历史回顾 1

目录 1

1.1.2 控制系统分类 2

1.2 系统仿真与仿真语言工具概述 2

1.2.1 系统仿真与控制系统仿真 2

1.2.2 数学软件的发展 3

1.2.3 控制系统仿真与计算机辅助设计软件 6

1.3.1 本书结构概述 7

1.3 本书主要结构及相关内容 7

1.3.2 MATLAB语言的相关资源 8

1.3.3 书中的MATLAB代码 9

1.4 本章要点小结 9

1.5 习题 9

第2章 MATLAB语言—必备的基础知识 11

2.1 MATLAB的数据结构与语句结构 12

2.1.1 MATAB语言的变量与常量 12

2.1.2 MATLAB的数据结构 12

2.1.3 MATLAB的基本语句结构 13

2.1.4 MATLAB语言的基本运算 14

2.2.1 循环结构 17

2.2 MATLAB基本控制流程结构 17

2.2.2 转移结构 19

2.2.3 开关结构 20

2.2.4 试探结构 21

2.3 MATLAB的M-函数设计 21

2.3.1 MATLAB语言的函数的基本结构 21

2.3.2 可变输入输出个数的处理 24

2.4 MATLAB的图形可视化 24

2.4.1 二维图形的绘制 24

2.4.2 三维图形的绘制 30

2.5.1 线性代数问题的MATLAB求解 34

2.5 MATLAB语言与现代科学运算 34

2.4.3 图形修饰 34

2.5.2 常微分方程问题的MATLAB求解 41

2.5.3 最优化问题的MATLAB求解 44

2.6 本章要点小结 48

2.7 习题 49

第3章 控制系统模型与转换 53

3.1 连续线性系统的数学模型 53

3.1.1 线性系统的传递函数模型 53

3.1.2 线性系统的状态方程模型 57

3.1.3 线性系统的零极点模型 59

3.1.4 多变量系统的传递函数矩阵模型 60

3.2.1 离散传递函数模型 61

3.2 离散系统模型 61

3.2.2 离散状态方程模型 63

3.3 框图描述系统的化简 64

3.3.1 控制系统的典型连接结构 64

3.3.2 纯时间延迟环节的处理 67

3.3.3 节点移动时的等效变换 69

3.3.4 复杂系统模型的简化 70

3.4 系统模型的相互转换 71

3.4.1 连续模型和离散模型的相互转换 71

3.4.2 系统传递函数的获取 75

3.4.3 控制系统的状态方程实现 76

3.4.4 状态方程的最小实现 80

3.5 线性系统的模型辨识 82

3.5.1 连续系统的模型辨识 82

3.5.2 离散系统的模型辨识 85

3.5.3 离散系统辨识信号的生成 89

3.5.4 多变量离散系统的辨识 91

3.6 本章要点小结 93

3.7 习题 93

第4章 线性控制系统的计算机辅助分析 98

4.1 线性系统定性分析 98

4.1.1 线性系统稳定性分析 98

4.1.2 线性系统的线性相似变换 101

4.1.3 线性系统的可控性分析 102

4.1.4 线性系统的可观测性分析 107

4.1.5 Kalman规范分解 108

4.2 线性系统时域响应解析解法 108

4.2.1 基于状态方程的解析解方法 108

4.2.2 基于部分分式展开方法求解 111

4.2.3 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标 116

4.3 线性系统的数字仿真分析 118

4.3.1 线性系统的时域响应 119

4.3.2 任意输入下系统的响应 123

4.4 根轨迹分析 124

4.5 线性系统频域分析 128

4.5.1 单变量系统的频域分析 129

4.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性 132

4.5.3 多变量系统的频域分析 135

4.5.4 频域分析的复域空间扩展 138

4.6 本章要点小结 140

4.7 习题 141

第5章 Simulink在系统仿真中的应用 145

5.1 Simulink建模的基础知识 145

5.1.1 Simulink简介 145

5.1.2 Simulink下常用模块简介 147

5.1.3 Simulink下其他工具箱的模块组 151

5.2 Simulink建模与仿真 152

5.2.1 Simulink建模方法简介 152

5.2.2 仿真算法与控制参数选择 155

5.2.3 Simulink在控制系统仿真研究中的应用举例 157

5.3 非线性系统分析与仿真 166

5.3.1 分段线性的非线性环节 167

5.3.2 非线性系统的极限环研究 170

5.3.3 非线性环节的描述函数数值求取方法 172

5.3.4 非线性系统的线性化 174

5.4 子系统与模块封装技术 176

5.4.1 子系统概念及构成方法 177

5.4.2 模块封装方法 177

5.4.3 模块集构造 182

5.5 S-函数及其应用 183

5.5.1 S-函数的基本结构 184

5.5.2 用MATLAB编写S-函数举例 185

5.5.3 S-函数的封装 188

5.6 输出显示形式 188

5.7 本章要点小结 190

5.8 习题 192

第6章 控制系统计算机辅助设计 196

6.1 基于传递函数的控制器设计方法 196

6.1.1 串联超前滞后校正器 197

6.1.2 基于相位裕量的设计方法 199

6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面 203

6.2 基于状态空间模型的控制器设计方法 206

6.2.1 状态反馈控制 207

6.2.2 线性二次型指标最优调节器 207

6.2.3 极点配置控制器设计 210

6.2.4 观测器设计及基于观测器的调节器设计 212

6.3 过程控制系统的PID控制器设计 217

6.3.1 PID控制器概述 217

6.3.2 过程系统的一阶延迟模型近似 220

6.3.3 Ziegler-Nichols参数整定方法 224

6.3.4 最优PID整定算法 230

6.3.5 大时间延迟的Smith预估器补偿 232

6.4 PID工具箱应用举例 235

6.4.1 基于FOLPD的PID控制器设计程序 235

6.4.2 Simulink下的PID控制器模块集 237

6.5.1 最优控制的概念 240

6.5 最优控制器设计 240

6.5.2 基于MATLAB/Simulink的最优控制程序及其应用 244

6.5.3 最优控制程序的其他应用 249

6.6 本章要点小结 250

6.7 习题 250

第7章 控制工程中的仿真技术应用 253

7.1 电路电子系统的建模与仿真 253

7.1.1 复杂系统的Simulink建模概述 253

7.1.2 SimPowerSystems简介 254

7.1.3 电路系统的建模与仿真 254

7.1.4 电子电路的建模与仿真 259

7.2 直流电动机双闭环拖动系统的建模与仿真 264

7.2.2 电机模型库及直流电动机建模 265

7.2.1 晶闸管整流系统仿真模型 265

7.3.1 半实物仿真概述 271

7.3 半实物仿真系统及其应用 271

7.3.2 dSPACE简介 273

7.3.3 dSPACE模块组 274

7.3.4 半实物仿真举例 275

7.4 本章要点小结 278

7.5 习题 278

附录A 常用MATLAB控制系统函数 281

A.1 MATLAB语言的联机帮助系统 281

A.2 有关MATLAB的控制类函数列表 282

A.3 作者为本书编写的配套MATLAB函数 286

B.1 Laplace变换及其反变换 287

附录B 积分变换问题及MATLAB直接求解 287

B.2 Z变换及其反变换 288

B.3 Laplace变换和Z变换的计算机求解 289

B.4 本附录要点小结 293

B.5 习题 294

附录C Scilab语言简介 295

C.1 Scilab简介 295

C.2 Scilab的程序设计基础 295

C.2.1 Scilab变量、常量与数据结构 295

C.2.2 Scilab的基本语句结构 296

C.2.3 Scilab语言的流程控制语句结构 297

C.3 Scilab绘图语句及功能 298

C.2.4 Scilab编程 298

C.2.5 Scilab与MATLAB的接口 298

C.3.1 二维图形绘制 299

C.3.2 三维图形绘制 299

C.4 Scilab下的基于模型的仿真方法 300

C.5 Scilab下数学问题求解方法 300

C.5.1 数值线性代数问题求解 300

C.5.2 微分方程的数值解 301

C.5.3 最优化问题的求解 302

C.6.1 控制系统模型描述及变换 303

C.6.2 控制系统分析 303

C.6 Scilab在控制系统分析与设计中的应用 303

C.6.3 控制系统计算机辅助设计 305

C.7 本附录要点小结 305

C.8 习题 305

附录D 反馈系统分析与设计程序CtrlLAB简介 307

D.1 CtrlLAB的安装与运行 307

D.2 控制系统模型的输入与处理 308

D.3 反馈控制系统的分析 309

D.4 反馈控制系统计算机辅助设计 309

D.5 本附录要点小结 310

D.6 习 题 311

参考文献 312