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第1章 自动控制系统与仿真概述 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 2

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 4

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 5

1.4控制系统仿真基本概念 5

1.4.1计算机仿真基本概念 6

1.4.2控制系统仿真 7

1.4.3控制系统计算机仿真基本过程 8

1.4.4计算机仿真技术发展趋势 8

1.5 MATLAB/Simulink下的控制系统仿真 9

1.5.1 MATLAB适合控制系统仿真的特点 9

1.5.2 Simulink适合控制系统仿真的特点 10

1.6 MATLAB中控制相关的工具箱 10

第2章MATLAB计算基础 13

2.1引言 13

2.2 MATLAB概述 13

2.2.1 MATLAB发展历程 13

2.2.2 MATLAB系统构成 14

2.2.3 MATLAB常用工具箱 14

2.3 MATLAB桌面操作环境 15

2.3.1 MATLAB启动和退出 15

2.3.2 MATLAB主菜单及功能 16

2.3.3 MATLAB命令窗口 19

2.3.4 MATLAB工作空间 20

2.3.5 MATLAB文件管理 22

2.3.6 MATLAB帮助使用 22

2.4 MATLAB数值计算 23

2.4.1 MATLAB数值类型 23

2.4.2矩阵运算 25

2.5关系运算和逻辑运算 28

2.6符号运算 29

2.6.1符号运算基础 29

2.6.2控制系统中常用的符号运算 30

2.7复数和复变函数运算 30

2.7.1复数运算基础 31

2.7.2拉普拉斯变换及逆变换 34

2.7.3 Z变换及其反变换 35

2.8 MATLAB常用绘图命令 36

2.9 MATLAB程序设计 39

2.9.1 MATLAB程序类型 39

2.9.2 MATLAB程序流程控制 40

2.9.3 MATLAB程序基本设计原则 43

第3章Simulink仿真 44

3.1引言 44

3.2 Simulink仿真概述 44

3.2.1 Simulink的启动与退出 44

3.2.2 Simulink建模仿真 46

3.3 Simulink的模块库简介 47

3.3.1 Simulink模块库分类 47

3.3.2控制系统仿真中常用的模块 48

3.4 Simulink功能模块的处理 49

3.4.1 Simulink模块参数设置 49

3.4.2 Simulink模块的基本操作 51

3.4.3 Simulink模块间的连线处理 52

3.5 Simulink仿真设置 52

3.5.1仿真器参数设置 52

3.5.2工作空间数据导入/导出设置 55

3.6 Simulink仿真举例 56

3.7 Simulink自定义功能模块 64

3.7.1自定义功能模块的创建 64

3.7.2自定义功能模块的封装 64

3.8 S函数设计与应用 66

3.8.1 S函数设计模板 66

3.8.2 S函数设计举例 68

第4章 控制系统数学模型 72

4.1引言 72

4.2动态过程微分方程描述 72

4.3拉氏变换与控制系统模型 75

4.4数学模型描述 76

4.4.1传递函数模型 76

4.4.2零极点形式的数学模型 77

4.4.3状态空间模型 78

4.5 MATLAB/Simulink在模型中的应用 78

4.5.1多项式处理相关的函数 78

4.5.2建立传递函数相关的函数 79

4.5.3建立零极点形式的数学模型相关函数 80

4.5.4建立状态空间模型相关的函数 80

4.5.5 Simulink中的控制系统模型表示 81

4.5.6 Simulink中模型与状态空间模型的转化 81

4.5.7应用实例 82

4.6系统模型转换及连接 86

4.6.1模型转换 86

4.6.2模型连接 88

4.6.3模型连接的MATLAB实现 89

4.7非线性数学模型的线性化 91

4.8综合实例及MATLAB/Simulink应用 92

习题 95

第5章 时域分析法 98

5.1引言 98

5.2时域响应分析 98

5.2.1典型输入 98

5.2.2线性系统时域响应一般求法 99

5.2.3时域响应性能指标 100

5.2.4一阶和二阶系统的时域响应 102

5.2.5高阶系统的时域分析 105

5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用 107

5.3.1时域分析中VMATLAB函数的应用 107

5.3.2时域响应性能指标求取 111

5.3.3二阶系统参数对时域响应性能的影响 114

5.3.4改善系统时域响应性能的一些措施 117

5.3.5 LTI Viewer应用 121

5.4稳定性分析 124

5.4.1稳定性基本概念 124

5.4.2稳定性判据 125

5.4.3稳态误差分析 128

5.4.4 MATLAB在稳定性分析中的应用 131

5.5综合实例及MATLAB/Simulink应用 132

习题 139

第6章 根轨迹分析法 141

6.1引言 141

6.2根轨迹定义 141

6.3根轨迹法基础 142

6.3.1幅值条件和相角条件 142

6.3.2绘制根轨迹的一般法则 143

6.3.3与根轨迹分析相关的MATLAB函数 145

6.3.4根轨迹分析与设计工具rltool 147

6.3.5利用MATLAB绘制根轨迹图举例 148

6.4其他形式的根轨迹 153

6.4.1正反馈系统的根轨迹 153

6.4.2参数根轨迹 153

6.4.3时滞系统的根轨迹 154

6.4.4利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例 154

6.5用根轨迹法分析系统的暂态特性 156

6.6综合实例及MATLAB/Simulink应用 159

习题 163

第7章 频域分析法 165

7.1引言 165

7.2频率特性基本概念 165

7.2.1频率特性定义 165

7.2.2频域分析法的特点 166

7.2.3频域性能指标 166

7.3频率特性的表示方法 167

7.3.1极坐标图（Nyquist图） 167

7.3.2对数坐标图（Bode图） 167

7.3.3对数幅相图（Nichols图） 168

7.3.4典型环节的频率特性 168

7.4系统开环频率特性作图 171

7.4.1开环对数频率特性作图 171

7.4.2开环极坐标作图 171

7.5频率响应分析 172

7.5.1开环频率特性的性能分析 172

7.5.2闭环频率特性的性能分析 174

7.6 MATLAB在频率法中的应用 177

7.6.1求取和绘制频率响应曲线相关的函数 177

7.6.2应用实例 178

7.7频率法的稳定性分析 182

7.7.1 Nyquist稳定判据 182

7.7.2稳定裕度 184

7.7.3 MATLAB在稳定性分析中的应用 185

7.8综合实例及MATLAB/Simulink应用 189

习题 190

第8章 控制系统校正与综合 192

8.1引言 192

8.2控制系统校正与综合基础 192

8.2.1控制系统性能指标 192

8.2.2控制系统校正概述 193

8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用 195

8.3.1 PID控制器概述 195

8.3.2比例（P）控制 196

8.3.3比例微分（PD）控制 197

8.3.4积分（I）控制 198

8.3.5比例积分（PI）控制 199

8.3.6比例积分微分（PID）控制 200

8.3.7 PID控制器参数整定 201

8.4控制系统校正的根轨迹法 210

8.4.1基于根轨迹法的超前校正 211

8.4.2基于根轨迹法的滞后校正 211

8.4.3基于根轨迹法的超前滞后校正 212

8.4.4 MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用 212

8.5控制系统校正的频率响应法 219

8.5.1基于频率法的超前校正 220

8.5.2基于频率法的滞后校正 220

8.5.3 MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用 221

8.6综合实例及 MATLAB/Simulink应用 225

习题 230

第9章 线性系统状态空间分析 232

9.1引言 232

9.2线性系统状态空间基础 232

9.2.1状态空间基本概念 232

9.2.2状态空间实现 234

9.2.3状态空间的标准型 241

9.2.4状态方程求解 244

9.2.5 MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用 249

9.3线性系统的状态可控性与状态可观性 255

9.3.1状态可控性 255

9.3.2状态可观性 256

9.3.3对偶系统和对偶原理 257

9.3.4可控标准型和可观标准型 258

9.3.5 MATLAB在可控和可观标准型中的应用 261

9.4线性系统稳定性分析 265

9.4.1稳定性分析基础 265

9.4.2李雅普诺夫稳定性分析 266

9.4.3 MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用 269

9.5综合实例及MATLAB/Simulink应用 269

习题 273

第10章 线性系统状态空间设计 275

10.1引言 275

10.2状态反馈与极点配置 275

10.2.1状态反馈 275

10.2.2输出反馈 276

10.2.3极点配置 277

10.2.4 MATLAB/Simulink在极点配置中的应用 279

10.3状态观测器 283

10.3.1状态观测器的基本概念 283

10.3.2全维状态观测器 285

10.3.3降维状态观测器 289

10.3.4 MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用 291

10.4综合实例及MATLAB/Simulink应用 293

习题 298

第11章 非线性系统 300

11.1引言 300

11.2非线性系统概述 300

11.2.1非线性控制理论发展概况 300

11.2.2典型非线性特性 301

11.2.3 Simulink中的非线性模块 302

11.3相平面法 304

11.3.1相平面法基础知识 305

11.3.2 MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用 306

11.4描述函数法 312

11.4.1描述函数基本概念 312

11.4.2描述函数定义 313

11.4.3描述函数的计算 314

11.4.4非线性系统的稳定性分析 315

11.5 MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用 316

11.6综合实例及MATLAB/Simulink应用 319

习题 323

第12章 离散控制系统 324

12.1引言 324

12.2离散控制系统基本概念 324

12.2.1离散控制系统概述 324

12.2.2离散信号的数学描述 326

12.3离散控制系统的研究方法 329

12.3.1线性连续与离散控制系统研究方法类比 329

12.3.2 MATLAB中的离散控制系统相关的函数 330

12.4 Z变换 331

12.4.1离散信号的Z变换 331

12.4.2 Z变换与Z反变换常用方法 333

12.5离散控制系统数学模型 336

12.5.1离散系统时域数学模型 336

12.5.2离散系统频域数学模型 337

12.6离散控制系统性能分析 343

12.6.1稳定性分析 343

12.6.2静态误差分析 345

12.6.3动态特性分析 346

12.6.4 MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用 348

12.7综合实例及MATLAB/Simulink应用 360

习题 364

第13章最优控制系统 367

13.1引言 367

13.2最优控制问题的描述 367

13.3线性二次型最优控制问题 368

13.4 MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用 369

13.5综合实例及MATLAB/Simulink应用 369

习题 373

附录A控制系统相关的MATLAB函数 374

附录B Simulink模块库 378

参考文献 392