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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Simulink41

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在求取系统稳态误差中的应用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rltool132

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 最小相位系统149

7.4.2 原点处有开环极点的情况149

7.4.3 非最小相位系统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 李雅普诺夫稳定性定理200

8.4.3 李雅普诺夫稳定性分析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A231

附录B235

参考文献248