基于MATLAB的控制系统仿真及应用（第2版）

　　本书是国家精品课程教材，全面论述控制系统计算机仿真的基本概念和原理，系统地介绍MATLAB及其动态仿真集成环境Simulink。全书共9章，主要内容包括：MATLAB基本应用方法及Simulink建模与仿真；基于MATLAB的控制系统数学模型、基于MATLAB的控制系统运动响应分析、基于MATLAB的控制系统运动性能分析、基于MATLAB/Simulink的控制系统建模和仿真、基于MATLAB的控制系统校正；控制系统仿真技术的应用实例――汽车防抱死制动系统建模与控制仿真、车辆悬架系统的建模和控制仿真、汽车四轮转向控制系统仿真、三自由度直升机系统的半实物仿真控制实验。本书配套电子课件。

　　张聚，男，博士，浙江工业大学教授，博士生导师，曾为德国慕尼黑工业大学自动化与软件技术研究所访问学者、美国密歇根州立大学机械工程系访问教授，浙江省一流学科（计算机科学与技术学科，B类）负责人，入选浙江省151人才第二层次，浙江省高校中青年学科带头人，浙江省块状经济转型升级专家。主要研究方向为计算机先进控制、医学图像处理。主持完成国家自然科学基金项目2项、省部级项目3项，主持出版学术专著1部、译著3部、高校教材2部，发表SCI、EI学术研究论文30余篇，授权发明专利3项。荣获浙江省科技进步三等奖、浙江省高校科研成果一等奖、浙江省高等学校教坛新秀奖、浙江工业大学首届十佳青年教师等奖项。

第1章 MATLAB应用基础 1

1．1 MATLAB简介 1

1．1．1 操作界面介绍 2

1．1．2 帮助系统 4

1．1．3 工具箱 6

1．2 MATLAB基本使用方法 12

1．2．1 基本要素 12

1．2．2 应用基础 14

1．2．3 数值运算 18

1．2．4 符号运算 22

1．2．5 图形表达功能 25

1．2．6 程序设计基础 33

习题1 37

第2章 基于MATLAB的控制系统

数学模型 39

2．1 数学模型的建立 39

2．1．1 传递函数模型 39

2．1．2 状态空间模型 41

2．1．3 零极点增益模型 44

2．1．4 频率响应数据模型 45

2．1．5 模型参数的获取 46

2．2 数学模型的相互转换 47

2．2．1 连续时间模型和离散时间模

型的相互转换 47

2．2．2 传递函数模型和状态空间模

型的相互转换 48

2．2．3 传递函数模型和零极点增益

模型的相互转换 49

2．2．4 状态空间模型和零极点增益

模型的相互转换 50

2．2．5 离散时间系统的重新采样 52

2．3 数学模型的连接 60

2．3．1 串联连接 60

2．3．2 并联连接 61

2．3．3 反馈连接 62

习题2 63

第3章 基于MATLAB的控制系统

运动响应分析 65

3．1 零输入响应分析 65

3．2 脉冲输入响应分析 67

3．3 阶跃输入响应分析 69

3．4 高阶系统响应分析 70

3．5 任意输入响应分析 75

3．6 根轨迹分析方法 77

3．7 控制系统的频率特性 79

习题3 85

第4章 基于MATLAB的控制系统

运动性能分析 87

4．1 控制系统的稳定性分析 87

4．2 控制系统的稳态性能分析 92

4．3 控制系统的动态性能分析 97

习题4 102

第5章 基于MATLAB/Simulink的

控制系统建模与仿真 104

5．1 Simulink模块库 104

5．2 Simulink基本操作 113

5．3 Simulink建模与仿真 114

5．4 基于MATLAB/Simulink的非

线性系统自激振荡的分析 126

习题5 134

第6章 基于MATLAB的控制系统

校正 136

6．1 PID控制器 136

6．2 超前校正 139

6．3 滞后校正 143

6．4 SISO设计工具 147

习题6 154

第7章 应用实例1――汽车防抱死制

动系统建模与控制仿真 157

7．1 汽车防抱死制动系统模型 157

7．1．1 整车模型 157

7．1．2 轮胎模型 158

7．1．3 滑移率模型 159

7．1．4 单轮模型 160

7．2 基于单轮模型的Simulink

仿真 160

第8章 应用实例2――车辆悬架系统

的建模和控制仿真 164

8．1 汽车悬架系统模型 164

8．1．1 汽车被动悬架系统状态方

程的建立 165

8．1．2 汽车主动悬架系统状态方

程的建立 165

8．2 悬架系统模型性能分析及仿真 166

8．2．1 稳定性分析 166

8．2．2 脉冲响应 167

8．2．3 锯齿波响应 169

8．2．4 正弦波响应 170

8．2．5 白噪声路面模拟输入仿真 171

8．2．6 汽车悬架系统的对比分析

及评价 173

第9章 应用实例3――汽车四轮转向

控制系统仿真 175

9．1 四轮转向车辆的动力学模型 175

9．2 基于横摆角速度反馈控制的

四轮转向系统研究 176

9．2．1 模型的建立 176

9．2．2 控制算法 177

9．2．3 基于MATLAB/Simulink仿真 178

9．2．4 操纵稳定性分析 181

9．3 基于最优控制的四轮转向系

统研究 181

9．3．1 模型的建立 181

9．3．2 4WS系统的可控性和能观

性分析 182

9．3．3 基于MATLAB仿真 182

第10章 MATLAB半实物仿真系统 186

10．1 MATLAB xPC半实物仿真

系统 186

10．1．1 MATLAB xPC半实物

仿真平台架构 186

10．1．2 在Simulink中搭建半

实物仿真系统框图 193

10．2 用M语言编写的算法进行

xPC半实物仿真实验方法 196

10．2．1 S-Function模块使用C代

码进行xPC半实物仿真的

框架 197

10．2．2 S-Function模块使用RTW

工具箱生成C文件并内部

调用 197

10．2．3 使用嵌入式MATLAB函数

进行xPC半实物仿真方法 199

10．3 显式模型预测控制算法xPC

半实物仿真实验 200

10．3．1 显式模型预测控制xPC

半实物仿真平台架构 201

10．3．2 建立显式模型预测控

制半实物仿真系统的

Simulink模型 202

10．3．3 显式模型预测控制半实

物仿真系统控制效果 204

10．4 利用C-MEX混编技术实现在MATLAB环境下操作硬件 206

10．4．1 编写用于驱动和操作硬

件的MEX文件 206

10．4．2 MEX文件的测试与应用 210

第11章 应用实例――三自由度直升机

系统半实物仿真与实时控制 214

11．1 Quanser三自由度直升机的

系统结构和数学模型 214

11．2 三自由度直升机PID控制器

设计 217

11．3 三自由度直升机PID控制数

值仿真 218

11．4 三自由度直升机控制半实物

仿真与实时控制 222

11．5 三自由度直升机控制半实物

仿真实验 226

参考文献 229