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第1章 控制系统及仿真概述1

1.1 自动控制系统的广泛应用1

1.1.1电力拖动自动控制系统的应用1

上篇 MATLAB计算及仿真语言基础1

1.1.2工业生产过程自动控制系统的应用2

1.2控制系统计算机仿真的基本概念2

1.2.1系统计算机仿真2

1.2.2控制系统计算机仿真的过程3

1.3.1 先进的软件MATLAB4

1.3控制系统MATLAB计算与仿真4

1.3.2控制系统的MATLAB计算与仿真7

第2章 MATLAB 6.5系统概述8

2.1 MATLAB6.5安装与启动8

2.1.1 MATLAB 6.5的安装8

2.1.2 Notebook的安装11

2.1.3 MATLAB6.5（即MATLAB R13）的启动12

2.1.4 Notebook的启动13

2.2.1 MATLAB 6.5的系统界面14

2.2 MATLAB 6.5的系统界面14

2.2.2 MATLAB 6.5菜单项命令15

2.2.3 MATLAB 6.5工具栏按钮21

2.2.4 MATLAB 6.5系统界面的窗口22

2.2.5 Start开始按钮24

2.3 MATLAB 6.5的内容及其查找24

2.3.1 MATLAB 6.5的内容24

2.3.2 MATLAB 6.5的内容查找26

2.4.1 Notebook简介29

2.4 MATLAB的文字处理工具Notebook29

2.3.3 MATLAB 6.5的Work子目录29

2.4.2 Notebook菜单命令简介30

2.4.3 Notebook的使用30

2.4.4 Notebook使用的几个问题34

第3章 MATLAB数值运算36

3.1MATLAB的数值运算基础36

3.1.1常量36

3.1.2变量36

3.1.3 MATLAB运算符37

3.2 MATLAB的数组、矩阵运算40

3.2.1数组、矩阵的概念40

3.2.2数组或矩阵元素的标识40

3.2.3数组与矩阵的输入43

3.2.4数组、矩阵的算术运算45

3.2.5向量及其运算51

3.2.6矩阵的特有运算55

3.2.7数组的关系运算64

3.2.8数组的逻辑运算65

3.2.9特殊字符数组——字符串66

3.3 MATLAB的数组函数与矩阵函数67

3.3.1数组函数67

3.3.2矩阵函数68

3.4多项式及其运算71

3.4.1多项式运算函数71

3.4.2多项式运算举例72

3.5.1 MATLAB的数学表达式74

3.5.2 MATLAB数学表达式书写74

3.5 MATLAB的数学表达式及其书写74

第4章 MATLAB符号运算基础76

4.1 MATLAB符号运算入门概述76

4.1.1 MATLAB符号运算入门76

4.1.2 MATLAB符号运算的几个基本概念77

4.2 MATLAB符号对象的基本运算与关系运算79

4.3 MATLAB符号运算的基本函数80

4.3.1符号变量代换及其函数subs()80

4.3.2符号对象转换为数值对象的函数double()、digits()、vap()、numeric()80

4.3.3 MATLAB符号表达式的化简81

4.4 MATLAB符号微积分运算83

4.4.1 MATLAB符号极限运算83

4.4.2 MATLAB符号函数微分运算84

4.4.3 MATLAB符号函数积分运算85

4.4.4符号求和函数与taylor（泰勒）级数展开函数86

4.5 MATLAB符号矩阵的几种特殊运算88

4.5.1矩阵的微分与积分88

4.5.2 Jacobian矩阵89

4.5.3矩阵的Jordan标准形90

4.6.1 MATLAB符号代数方程求解92

4.6 MATLAB符号方程求解92

4.6.2 MATLAB符号微分方程求解93

第5章 MATLAB的程序设计96

5.1 M文件、MATLAB函数与MATLAB程序96

5.1.1 M文件96

5.1.2 MATLAB函数96

5.1.3 MATLAB命令文件或程序99

5.2 MATLAB程序设计基础100

5.2.2表达式、表达式语句与赋值语句101

5.2.1 MATLAB程序设计基本规则101

5.2.3程序流程控制语句102

5.2.4程序流程控制指令108

5.3 MATLAB程序的交互式、调试与警示指令109

5.3.1 MATLAB程序的交互式指令109

5.3.2 MATLAB程序的调试指令110

5.3.3 MATLAB程序的常用警示指令111

6.1.1绘图函数plot()112

6.1 MATLAB的常用图形命令112

第6章 MATLAB常用图形命令与符号函数图形命令112

6.1.2绘图坐标系的调整113

6.1.3图形标注113

6.1.4多次重叠绘制图形116

6.1.5图形窗口的分割117

6.2 MATLAB的特殊坐标绘图函数118

6.2.1对数坐标曲线118

6.2.2极坐标曲线119

6.2.3双y轴坐标曲线120

6.2.4复数的图形曲线121

6.3 MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数122

6.3.1 MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem()122

6.3.2 MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs()123

6.4 MATLAB符号函数的图形124

6.4.1符号函数的简捷绘图函数命令ezblot()124

6.4.2符号函数的绘图函数命令fplot()127

7.1 Simulink 5.0仿真工具简介129

7.1.1 Simulink仿真工具概述129

中篇 控制系统MATLAB仿真基础129

第7章 MATLAB的仿真集成环境Simulink129

7.1.2 Simulink For Windows仿真工具的安装131

7.2 Simulink5.0的界面与菜单132

7.2.1 Simulink 5.0的界面形象132

7.2.2 Simulink 5.0功能模块组的打开与关闭132

7.2.3 Simulink 5.0功能模块的分类及其用途133

7.2.4 Simulink模型窗口143

7.3用Simulink建立系统模型146

7.3.3模块的拷贝、移动与删除147

7.3.1模型窗口147

7.3.2模块的查找与选择147

7.3.4模块的连接149

7.3.5模块标题名称的修改150

7.3.6系统模型标题名称的标注与修改150

7.3.7模块内部参数的修改151

7.3.8创建模型的取消与复原操作153

7.3.9模型文件的保存与打开153

7.4.1示波器154

7.4观察Simulink的仿真结果154

7.3.11 Simulink建模注意事项154

7.3.10模型框图的打印154

7.4.2使用示波器模块观察仿真输出156

7.4.3使用To Workspace模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中157

7.4.4使用out1模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中159

7.5 Simulink的分析工具159

7.5.1模型线性化概述159

7.5.2连续系统的线性化模型160

7.5.4Simulink平衡点的求取161

7.5.5 Simulink里由状态方程转换成LTI（线性时不变系统）对象161

7.5.3 离散系统的线性化模型161

7.5.6在Simulink里绘制波德（Bode）图与时间响应图162

第8章 控制系统数学模型的MATLAB实现166

8.1 LTI三类对象及其属性166

8.1.1LTI对象与set()函数166

8.1.2三类对象的属性166

8.2控制系统数学模型的种类及转换167

8.2.1控制系统数学模型168

8.2.2三种系统数学模型之间的转换170

8.2.3 系统数学模型建立与转换再举例173

8.3环节方框图模型的化简175

8.2.4第四种系统数学模型175

8.3.1环节串联连接的化简176

8.3.2环节并联连接的化简177

8.3.3环节反馈连结的化简178

第9章 控制系统时域分析的MATLAB实现180

9.1控制系统时域分析的几个基本概念180

9.2 Laplace变换及反变换182

9.2.1 Laplace变换与反变换的概念182

9.2.2两个特殊函数的表示法183

9.2.3计算用图形表示的函数的Laplace变换184

9.2.4用Laplace变换定义传递函数186

9.2.5 用Laplace反变换求时域解189

9.3 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真191

9.3.1 时域响应MATLAB仿真的函数指令格式191

9.3.2 MATLAB函数指令时域响应仿真示例195

9.4利用Simulink动态结构图的时域响应仿真示例199

9.4.1利用Simulink动态结构图模型指令方式下的时域响应仿真实例199

9.4.2在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真实例200

第10章 控制系统稳定性分析的MATLAB实现201

10.1控制系统稳定性分析简述201

10.1.1控制系统稳定性分析简述201

10.1.2控制系统有关稳定性的几个基本概念202

10.2代数稳定判据的MATLAB实现203

10.3用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现206

10.4用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现208

10.4.1 用Bode图法判断系统稳定性209

10.4.2用Nyquist曲线法判断系统稳定性210

第11章 控制系统稳态误差计算的MATLAB实现211

11.1控制系统误差（响应）与稳态误差及其误差传递函数211

11.1.1控制系统误差211

11.1.2控制系统稳态误差211

11.1.3控制系统稳态误差的计算原理212

11.1.4控制系统两个相关概念212

11.1.5闭环系统的误差传递函数212

11.2控制系统稳态误差的计算213

11.2.1控制系统的静态误差系数与动态误差系数213

11.2.3三种典型外作用信号下的给定输入响应与其稳态误差曲线的绘制216

11.2.2三种典型信号给定输入作用下的稳态误差216

11.2.4从输出端定义的非单位负反馈系统的误差的计算222

11.2.5扰动输入作用下的稳态误差计算223

11.3控制系统稳态误差计算举例225

第12章 根轨迹分析的MATLAB实现229

12.1有关根轨迹的几个基本概念229

12.2控制系统根轨迹分析的MATLAB实现230

12.2.1根轨迹分析的MATLAB实现的函数指令格式230

12.2.2根轨迹分析的MATLAB实现再举例233

12.3 MATLAB基于根轨迹的设计工具236

12.3.1根轨迹设计工具简述236

12.3.2根轨迹设计工具示例237

第13章 控制系统频域分析的MATLAB实现239

13.1有关频域分析的几个概念239

13.2控制系统频域分析的MATLAB实现241

13.2.1频域响应Bode图的函数指令格式及示例241

13.2.2频域响应Nyquist曲线的函数指令格式及示例244

13.2.3频域响应Nichols曲线的函数指令格式及示例249

13.2.4频域响应的模值裕度与相位裕度函数指令格式及示例250

14.1有关非线性系统分析的几个概念254

第14章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现254

14.2典型非线性的描述函数256

14.3描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现258

14.3.1非线性系统自振分析258

14.3.2描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现示例259

15.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真263

15.1.1 自动控制系统的几个基本概念263

第15章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真263

下篇 控制系统MATLAB计算及仿真263

15.1.2简单闭环控制系统的数学模型264

15.1.3简单闭环控制系统的MATLAB仿真实例265

15.1.4线性时不变系统（LTI）观测器272

15.2多闭环控制系统的MATLAB计算及仿真275

15.2.1 多闭环控制系统概述275

15.2.2多闭环控制系统的数学模型275

15.2.3双闭环调速系统的MATLAB计算与仿真实例275

15.2.4三环控制系统的MATLAB计算与仿真285

15.3.3位置随动系统的分析方法与品质指标289

15.3.2位置随动系统的控制特点289

15.3.1位置随动系统的概念289

15.3位置随动系统的MATLAB计算及仿真289

15.3.4位置随动系统MATLAB计算及仿真实例290

15.4过程控制系统的MATLAB计算及仿真303

15.4.1 生产过程控制的特点303

15.4.2过程控制中被控对象的动态特性304

15.4.3过程控制系统的性能指标304

15.4.4控制系统中延迟特性的处理306

15.4.5简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真308

15.4.6 串级控制系统的MATLAB计算及仿真310

15.4.7前馈控制系统的MATLAB计算及仿真313

15.4.8大延迟系统的MATLAB计算及仿真317

第16章 自动控制系统的设计322

16.1控制系统设计概述322

16.1.1 经典控制系统的设计322

16.1.2控制系统设计的几个概念322

16.1.3控制系统的无源校正与有源校正323

16.1.4控制系统串联校正的基本思路323

16.2.1 Bode图超前校正设计324

16.2控制系统Bode图设计法324

16.2.2 Bode图滞后校正设计332

16.2.3 Bode图滞后－超前校正设计340

16.3控制系统根轨迹设计法347

16.3.1根轨迹超前校正设计347

16.3.2根轨迹滞后校正设计356

16.4控制系统PID校正器设计法360

16.4.1 PID调节简述360

16.4.3 PID调节作用分析361

16.4.2 PID调节规律361

16.4.4 PID校正器设计方法365

第17章 状态空间分析的MATLAB实现378

17.1控制系统状态空间分析的几个基本概念378

17.2系统状态空间表达式及其状态方程的解381

17.2.1状态空间表达式的建立381

17.2.2 系统状态方程的解383

17.2.3连续系统状态方程的离散化385

17.3系统状态方程的线性变换387

17.3.1传递矩阵388

17.3.2状态方程的线性变换389

17.3.3 Vandermonde（范德蒙特）矩阵及Jordan（约当）标准形392

17.4线性系统的可控性与可观性394

17.4.1线性系统的可控性395

17.4.2线性系统的可观测性401

17.4.3线性定常系统的实现问题406

17.5系统状态反馈与状态观测器407

17.5.1 系统的输出反馈与闭环系统的传递矩阵408

17.5.2 系统的状态反馈与闭环系统的状态矩阵409

17.5.3 系统的极点配置409

17.5.4 系统的状态观测器411

17.5.5 系统的状态降维观测器413

17.6 Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现419

17.6.1 系统稳定性概述419

17.6.2李亚普诺夫意义下的稳定性理论419

17.6.3线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析420

17.6.4李亚普诺夫方程的求解421

第18章 线性二次型最优控制的MATLAB实现424

18.1最优控制的基本概念424

18.1.1最优控制问题424

18.1.2最优控制的性能指标425

18.1.3最优控制问题的数学分类法426

18.1.4最优控制问题的求解方法427

18.1.5线性二次型最优控制427

18.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现428

18.2.1连续系统线性二次型最优控制428

18.2.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现428

18.2.3连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现示例429

18.3离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现430

18.3.1 离散系统稳态线性二次型最优控制430

18.3.2 离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现与示例431

18.4最优观测器的MATLAB实现434

18.4.1连续时不变系统的Kalman滤波434

18.4.2 Kalman滤波的MATLAB实现435

18.4.3 Kalman滤波的MATLAB实现示例436

18.5线性二次型Guass最优控制的MATLAB实现438

18.5.1 LQG最优控制的求解438

18.5.2 LQG最优控制的MATLAB实现与示例439

附录 作者编写的MATLAB函数441

参考文献455