控制系统建模与仿真：基于MATLAB/Simulink的分析与实现

　　本教材共包含8章，第1、2章为MATLAB数学运算基础应用，介绍了MATLAB矩阵、函数、符号及高等数学函数运算。第3章介绍了自动控制及系统的组成、稳定性的概念及传递函数的建立方法。第4~8章利用MATLAB强大数据处理、绘图函数和Simulink仿真工具，对被控对象模型进行了系统建模、分析、计算、性能指标的优化及控制器设计，从时域、频域、根轨迹、非线性及状态空间几个方面，完成对系统性能指标验证及控制系统设计，还使用GUIDE编写了实验界面，通过人-机交互完成PID参数设计。在教材结构上，便于学生操作和自学。

　　1988.7-现在一直在北京理工大学自动化学院工作，主要致力于教学工作，主要教学课程包括：自动控制理论实验、MATLAB在自动化化工程中的应用、过程控制、数据库技术基础、计算机网络基础等课程。

目录

 

第1章MATLAB/Simulink概述

1.1MATLAB的主要功能

1.2MATLAB R2020a窗口界面

1.2.1主界面

1.2.2工具栏

1.3窗口操作

1.3.1常用操作命令

1.3.2常用快捷键

1.4Simulink简介

1.4.1Simulink的组成结构

1.4.2Simulink仿真示例

第2章MATLAB矩阵与数组应用

2.1常量与变量的使用

2.1.1常量表示

2.1.2新建变量

2.1.3变量命名规则

2.1.4全局变量

2.1.5数据类型

2.1.6常用标点符号及功能

2.2矩阵表示

2.2.1矩阵的建立方法

2.2.2向量的建立方法

2.2.3常用特殊矩阵

2.2.4稀疏矩阵

2.2.5矩阵拆分

2.3矩阵的基本运算

2.3.1求矩阵的秩、迹和条件数

2.3.2求矩阵的逆

2.3.3求矩阵的特征值和特征向量

2.3.4矩阵的算术运算

2.3.5求矩阵的最大值、最小值及矩阵的排序

2.3.6求矩阵的平均值和中值

2.3.7求矩阵元素的和与积

2.3.8求元素累加和与累乘积

2.4MATLAB常用函数

2.4.1随机函数

2.4.2数学函数

2.4.3转换函数

2.4.4字符串操作函数

2.4.5判断数据类型函数

2.4.6查找函数

2.4.7判断向量函数 

2.4.8日期时间函数

2.4.9文件操作函数

2.4.10函数句柄

2.5MATLAB数组表示

2.5.1结构数组

2.5.2元胞(单元)数组

2.6数组集合运算 

2.6.1交运算

2.6.2差运算

2.6.3并运算

2.6.4异或运算

2.7多项式与算术运算

2.7.1多项式的建立与转换

2.7.2多项式运算

2.8MATLAB符号运算

2.8.1符号变量与符号表达式

2.8.2符号运算

第3章MATLAB高等数学计算

3.1傅里叶变换与反变换

3.1.1傅里叶变换

3.1.2傅里叶反变换

3.2拉普拉斯变换与反变换

3.2.1拉普拉斯变换

3.2.2拉普拉斯反变换

3.3Z变换与反变换

3.3.1Z变换

3.3.2Z反变换

3.4求极限

3.5求导数

3.5.1语法格式

3.5.2求导数案例

3.6求积分

3.6.1使用int函数求积分

3.6.2使用quadl函数求积分

3.7求零点与极值

3.7.1求零点

3.7.2求极值

3.8求方程的解

3.8.1线性方程组求解

3.8.2符号代数方程求解

3.8.3常微分方程(组)求解

3.9级数

3.9.1级数求和

3.9.2一元函数的泰勒级数展开

3.10常用绘图功能

3.10.1二维绘图

3.10.2三维绘图

3.11函数插值

3.11.1一维插值

3.11.2二维插值

3.11.3三维插值

第4章控制系统建模与仿真理论基础

4.1控制系统及建模

4.1.1自动控制系统

4.1.2控制系统建模

4.2控制系统的稳定性

4.2.1稳定性的描述

4.2.2稳定性的图形表示

4.3传递函数模型表示

4.3.1传递函数的定义

4.3.2传递函数的性质

4.3.3传递函数的主要应用

4.4系统的开环和闭环传递函数模型

4.4.1开环传递函数模型

4.4.2闭环传递函数模型

4.5传递函数模型的建立方法

4.5.1传递函数模型的形式

4.5.2零极点传递函数模型

4.5.3状态空间形式

4.5.4建立标准传递函数模型

4.6传递函数模型形式转换 

4.6.1传递函数转换函数

4.6.2传递函数转换示例

第5章控制系统时域分析的MATLAB实现

5.1模型建立与化简

5.1.1串联结构

5.1.2并联结构

5.1.3反馈结构

5.1.4复杂结构

5.1.5多输入多输出系统

5.2控制系统的瞬态响应分析

5.2.1单位脉冲响应

5.2.2单位阶跃响应

5.2.3零输入响应

5.2.4任意函数作用下系统的响应

5.3二阶系统阶跃响应分析

5.3.1二阶系统时域动态性能指标

5.3.2使用函数获取时域动态指标

5.4稳定性分析

5.4.1使用闭环特征多项式的根判别稳定性

5.4.2使用零极点图判别稳定性

5.4.3使用劳斯判据判别稳定性

5.4.4延迟环节稳定性判别

第6章控制系统频域分析、根轨迹分析与设计的MATLAB实现

6.1频域特性分析

6.1.1绘制Bode图

6.1.2获取幅值裕度和相位裕度

6.1.3绘制Nyquist图

6.1.4绘制Nichols图

6.1.5计算频域参数

6.2频域法超前和滞后校正设计

6.2.1超前校正设计方法 

6.2.2滞后校正设计方法

6.3根轨迹分析与设计

6.3.1根轨迹分析

6.3.2根轨迹校正设计

第7章PID控制器的MATLAB编程实现

7.1使用试凑法设计PID控制器

7.1.1PID控制原理

7.1.2PID试凑原则

7.1.3PID控制器参数的作用

7.1.4试凑法PID控制器设计分析

7.2工程整定法求PID控制参数

7.2.1动态特性参数法

7.2.2科恩库恩整定法

7.2.3使用衰减曲线法整定参数

7.2.4使用临界比例度法整定参数

7.3使用Smith预估器设计PID控制器

7.3.1Smith预估器控制的基本原理

7.3.2Smith预估器控制特点

第8章状态空间极点配置控制系统设计的MATLAB实现

8.1极点配置与必要条件

8.1.1极点配置说明

8.1.2极点配置方法

8.1.3系统可控性及判断方法

8.1.4状态反馈极点配置空间变换参数

8.1.5系统可观测性及判断方法

8.2二次型最优控制器设计

8.2.1最优控制的基本概念

8.2.2二次型最优控制函数

8.3使用Kalman滤波器设计LQG最优控制器

8.3.1Kalman滤波器的MATLAB实现

8.3.2LQG最优控制器的MATLAB实现

第9章基于Simulink模块的设计与仿真

9.1仿真编辑及参数设置

9.1.1创建仿真模型

9.1.2仿真库基本模块

9.1.3模块的参数和属性设置

9.2二阶系统仿真

9.2.1改变阻尼比的二阶系统仿真分析

9.2.2改变频率的二阶系统仿真分析

9.3稳定性及稳态误差仿真

9.3.1稳定性的仿真

9.3.2增益K对稳态误差的影响

9.3.3积分环节个数对稳态误差的影响

9.4串联超前和滞后校正仿真设计

9.4.1相位超前校正

9.4.2相位滞后校正

9.5PID控制仿真

9.5.1使用试凑法整定PID参数

9.5.2使用衰减曲线法整定PID参数

9.5.3使用临界比例度法整定PID参数

9.5.4Smith预估器控制仿真

9.6非线性相平面分析与校正设计

9.6.1二阶系统的相平面分析

9.6.2非线性校正设计

9.7状态反馈控制器仿真设计

9.7.1状态反馈与极点配置

9.7.2状态反馈与极点配置案例

第10章MATLAB的GUIDE与App Designer 界面设计

10.1GUIDE开发环境

10.1.1创建GUI图形界面

10.1.2图形界面案例

10.2MATLAB句柄的使用

10.2.1句柄式图形对象

10.2.2句柄常用函数

10.3回调函数

10.3.1回调函数的格式

10.3.2回调函数的使用

10.4GUI组件及属性

10.4.1组件及对象属性

10.4.2载入静态图片与动态图片

10.4.3GUI应用案例

10.5App的应用

10.5.1App设计器

10.5.2App应用案例

10.5.3GUIDE到App的迁移

10.6菜单设计

10.6.1上下文菜单

10.6.2菜单栏设计

参考文献