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第1章 MATLAB软件与控制系统概述1

1.1 MATLAB概述1

1.1.1 MATLAB发展史1

1.1.2 MATLAB系统结构2

1.1.3 MATLAB语言特点3

1.1.4 MATLAB新特性4

1.1.5 MATLAB R2013a新功能4

1.2 MATLAB的安装、退出及卸载5

1.2.1 MATLAB的安装5

1.2.2 MATLAB的启动和退出9

1.2.3 MATLAB卸载11

1.3 MATLAB工作环境12

1.3.1 HOME工具项13

1.3.2 PLOTS工具项16

1.3.3 Apps工具项16

1.3.4 命令窗口17

1.3.5 工作空间窗口19

1.3.6 命令历史窗口19

1.4 MATLAB帮助系统21

1.4.1 MATLAB帮助命令21

1.4.2 MATLAB帮助窗口22

1.4.3 MATLAB演示系统23

1.4.4 MATLAB远程帮助25

1.5 自动控制系统概述27

1.5.1 自动控制形式27

1.5.2 自动控制系统的分类28

1.5.3 控制系统的要求及性能评价29

1.6 控制系统仿真概述30

1.6.1 仿真基本概念30

1.6.2 仿真不同的分类30

1.6.3 仿真应用与发展31

1.6.4 仿真基本步骤32

1.7 非线性系统特性33

1.7.1 非线性系统自振33

1.7.2 非线性系统自振分析33

第2章 MATLAB控制系统的数学模型35

2.1 MATLAB基本程序元素35

2.1.1 变量与常量35

2.1.2 运算符36

2.2 MATLAB数据类型39

2.2.1 数值类型40

2.2.2 字符串45

2.2.3 元胞数组48

2.2.4 结构数组49

2.3 系统的数学模型53

2.3.1 连续系统53

2.3.2 离散系统54

2.4 数学模型的MATLAB相关函数55

2.4.1 传递模型函数55

2.4.2 零极点模型函数60

2.4.3 状态空间模型函数63

2.5 系统模型间转换67

2.6 系统模型连接73

2.6.1 优先原则73

2.6.2 串连73

2.6.3 并连74

2.6.4 反馈连接75

2.6.5 混合连接76

第3章 MATLAB控制系统稳定性判定78

3.1 数组及矩阵78

3.1.1 数组的创建78

3.1.2 矩阵的创建81

3.1.3 矩阵的基本数值运算84

3.1.4 特殊矩阵88

3.1.5 符号对象92

3.2 稳定性概述96

3.3 代数稳定判据98

3.3.1 方程特征根判定稳定性98

3.3.2 lienard-Chipard判据判定系统稳定性99

3.4 根轨迹法判定稳定性99

3.5 传递函数极点法判断系统稳定性102

3.6 李亚普诺夫第二法判定系统稳定性104

3.7 频率法判定系统稳定性105

3.7.1 Bode图判定系统的稳定性105

3.7.2 Nyquist曲线判断系统稳定性108

3.8 系统误差分析与计算111

3.8.1 误差e（t）的计算112

3.8.2 系统的稳态误差112

3.8.3 与输入有关的稳态误差112

3.8.4 与干扰有关的稳态误差118

3.9 MATLAB LTI Viewer稳定性判定实例120

第4章 MATLAB控制系统的时域分析122

4.1 时域响应分析122

4.1.1 典型输入信号122

4.1.2 时域分析的基本概念124

4.1.3 线性系统时域响应求法126

4.2 二阶系统126

4.2.1 二阶系统的单位脉冲响应126

4.2.2 二阶系统的单位阶跃响应128

4.3 高阶系统130

4.4 时域分析在MATLAB中的应用132

4.5 MATLAB图形化时域分析139

第5章 MATLAB控制系统的根轨迹分析143

5.1 根轨迹的概述143

5.2 二阶系统的根轨迹分析144

5.3 MATLAB根轨迹相关函数147

5.4 其他形式根轨迹154

5.4.1 其他形式根轨迹概述154

5.4.2 其他形式的根轨迹实例155

5.5 根轨迹对系统的暂态特性的分析157

5.6 控制系统的根轨迹校正法159

5.6.1 根轨迹法超前校正160

5.6.2 根轨迹法滞后校正164

5.7 根轨迹的设计工具167

第6章 MATLAB控制系统的频域分析172

6.1 频率特性基本概念172

6.1.1 频率特性定义172

6.1.2 频域分析法特点173

6.1.3 频域性能指标173

6.2 频率特性的表示法174

6.2.1 Nyquist图174

6.2.2 Bode图174

6.2.3 Nichols图175

6.3 典型环节的频率特性175

6.3.1 典型环的Nyquist图175

6.3.2 典型环节的Bode图179

6.4 频域分析的其他概念187

6.5 频域分析的MATLAB函数188

6.6 频域稳定性分析200

6.6.1 Nyquist稳定判据200

6.6.2 稳定裕度205

第7章 MATLAB控制系统的状态空间法208

7.1 Simulink概述208

7.1.1 Simulink特点208

7.1.2 启动Simulink209

7.1.3 一个简单的仿真系统209

7.2 建立状态空间表达式214

7.2.1 由图建立状态空间表达式214

7.2.2 由函数建立状态空间表达式218

7.3 状态变换222

7.3.1 非唯一性与特征不变性222

7.3.2 标准型223

7.4 可控性与可观性227

7.4.1 状态可控性227

7.4.2 状态可观性228

7.4.3 可控和可观性实现228

7.5 状态空间的MATLAB实现235

7.6 系统状态反馈与状态观测器239

7.6.1 极点配置239

7.6.2 状态观测器240

第8章 MATLAB离散控制系统的设计242

8.1 离散控制系统的基本概念242

8.1.1 离散控制系统的基本组成242

8.1.2 数字控制系统工作过程243

8.1.3 离散控制系统的特点243

8.2 离散信号的数字描述243

8.2.1 采样过程及采样定理243

8.2.2 保持器的数学描述245

8.3 Z变换247

8.3.1 离散信号的Z变换247

8.3.2 Z变换与其逆变换248

8.4 离散控制系统的数学模型252

8.4.1 离散系统的时域数学模型252

8.4.2 离散系统的频域数学模型254

8.5 离散控制系统分析259

8.5.1 离散控制系统的稳定性259

8.5.2 采样周期与开环增益对稳定性的影响261

第9章 MATLAB控制系统的校正分析264

9.1 概述264

9.1.1 控制系统性能指标264

9.1.2 校正基本概念265

9.2 根轨迹校正法266

9.2.1 根轨迹法串联超前校正267

9.2.2 根轨迹的串联滞后校正270

9.2.3 根轨迹的串联超前滞后校正273

9.3 频域响应校正法276

9.3.1 频域法的串联超前校正276

9.3.2 频域法的串联滞后校正280

9.3.3 频域串联滞后-超前校正283

9.3.4 反馈校正287

9.4 PID控制器校正291

9.4.1 PID控制器概述292

9.4.2 比例（P）控制293

9.4.3 比例微分（PD）控制294

9.4.4 积分（I）控制296

9.4.5 比例积分（PI）控制298

9.4.6 比例积分微分（PID）控制299

9.4.7 PID控制器参数整定304

第10章 MATLAB最优与鲁棒控制系统设计316

10.1 最优控制问题的描述316

10.2 连续系统二次型最优控制317

10.2.1 连续系统二次型最优控制概述317

10.2.2 连续系统二次型最优控制的MATLAB实现318

10.3 离散系统二次型最优控制321

10.3.1 离散系统二次型最优控制概述321

10.3.2 离散系统二次型最优控制的MATLAB实现321

10.4 卡尔曼滤波器323

10.5 线性二次型高斯最优控制330

10.5.1 LQG最优控制概述330

10.5.2 LQG最优控制的MATLAB实现331

10.6 鲁棒控制系统设计339

10.6.1 鲁棒控制简介339

10.6.2 鲁棒控制系统的MATLAB实现342

第11章 MATLAB控制系统的综合实例348

11.1 MATLAB在积分中的应用348

11.2 MATLAB在微分方程中的应用348

11.3 MATLAB/Simulink在机电中的应用350

11.4 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用351

11.5 MATLAB/Simulink在根轨迹分析中的应用355

11.6 MATLAB在频域响应中的应用358

11.7 MATLAB/Simulink在状态空间中的应用363

11.8 MATLAB在PID控制器设计中的应用366

11.9 MATLAB在导弹系统中的应用368

参考文献372