MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第4版）

本书从应用角度出发，系统地介绍了MATLAB/Simulink及其在自动控制中的应用。内容包括自动控制系统与仿真基础知识、MATLAB计算及仿真基础、Simulink仿真基础、控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控制系统校正与综合、线性系统状态空间分析、线性系统状态空间设计、非线性系统、离散控制系统、最优控制等。各章通过精心设计的应用实例、综合实例和习题来帮助读者理解和掌握自动控制原理以及MATLAB/Simulink相关功能和工具的使用。

王正林，男，高级工程师，毕业于北京科技大学，2007年获自动化专业博士学位，长期从事MATLAB应用的科研工作，具有丰富的科研实践。

第1章 自动控制系统与仿真概述 1

1．1 引言 1

1．2 自动控制系统基本概念 1

1．2．1 开环控制系统与闭环控制系统 2

1．2．2 闭环控制系统组成结构 3

1．2．3 反馈控制系统品质要求 4

1．3 自动控制系统分类 4

1．3．1 线性系统和非线性系统 5

1．3．2 离散系统和连续系统 5

1．3．3 恒值系统和随动系统 6

1．4 控制系统仿真基本概念 6

1．4．1 计算机仿真基本概念 7

1．4．2 控制系统仿真 8

1．4．3 控制系统计算机仿真基本过程 9

1．4．4 计算机仿真技术发展趋势 9

1．5 MATLAB/Simulink下的控制系统仿真 10

1．5．1 MATLAB适合控制系统仿真的特点 10

1．5．2 Simulink适合控制系统仿真的特点 10

1．6 MATLAB中控制相关的工具箱 11

1．7 Python中控制系统相关的包 13

1．7．1 Python与MATLAB对比 14

1．7．2 Python的控制系统包 14

第2章 MATLAB计算基础 15

2．1 引言 15

2．2 MATLAB概述 15

2．2．1 MATLAB发展历程 15

2．2．2 MATLAB系统构成 16

2．2．3 MATLAB 常用工具箱 17

2．3 MATLAB桌面操作环境 17

2．3．1 MATLAB启动和退出 17

2．3．2 MATLAB命令行窗口 18

2．3．3 MATLAB工作区 19

2．3．4 MATLAB文件管理 20

2．3．5 MATLAB帮助使用 20

2．4 MATLAB数值计算 21

2．4．1 MATLAB数值类型 21

2．4．2 矩阵运算 23

2．5 关系运算和逻辑运算 26

2．6 符号运算 27

2．6．1 符号运算基础 27

2．6．2 控制系统中常用的符号运算 28

2．7 复数和复变函数运算 29

2．7．1 复数运算基础 29

2．7．2 拉普拉斯变换及反变换 32

2．7．3 Z变换及其反变换 33

2．8 MATLAB常用绘图命令 35

2．9 MATLAB程序设计 38

2．9．1 MATLAB程序类型 38

2．9．2 MATLAB程序流程控制 39

2．9．3 MATLAB程序基本设计原则 41

第3章 Simulink仿真 42

3．1 引言 42

3．2 Simulink仿真概述 42

3．2．1 Simulink的启动与退出 43

3．2．2 Simulink建模仿真 44

3．3 Simulink的模块库简介 46

3．3．1 Simulink模块库分类 46

3．3．2 控制系统仿真中常用的模块 47

3．3．3 控制系统仿真中常用的Blockset 48

3．4 Simulink功能模块的处理 49

3．4．1 Simulink模块参数设置 49

3．4．2 Simulink模块的基本操作 50

3．4．3 Simulink模块间的连线处理 51

3．5 Simulink仿真设置 52

3．5．1 仿真器参数设置 52

3．5．2 工作空间数据导入/导出设置 55

3．6 Simulink仿真举例 56

3．7 Simulink自定义功能模块 65

3．7．1 自定义功能模块的创建 65

3．7．2 自定义功能模块的封装 65

3．8 S函数设计与应用 67

3．8．1 S函数设计模板 67

3．8．2 S函数设计举例 69

第4章 控制系统数学模型 73

4．1 引言 73

4．2 动态过程微分方程描述 73

4．3 拉氏变换与控制系统模型 76

4．4 数学模型描述 78

4．4．1 传递函数模型 78

4．4．2 零极点形式的数学模型 79

4．4．3 状态空间模型 80

4．5 MATLAB/Simulink在模型中的应用 80

4．5．1 多项式处理相关的函数 80

4．5．2 建立传递函数相关的函数 81

4．5．3 建立零极点形式的数学模型相关函数 82

4．5．4 建立状态空间模型相关的函数 82

4．5．5 Simulink中的控制系统模型表示 83

4．5．6 Simulink中模型与状态空间模型的转化 84

4．5．7 应用实例 84

4．6 系统模型转换及连接 88

4．6．1 模型转换 88

4．6．2 模型连接 90

4．6．3 模型连接的MATLAB实现 91

4．7 非线性数学模型的线性化 93

4．8 综合实例及MATLAB/Simulink应用 94

习题 98

第5章 时域分析法 100

5．1 引言 100

5．2 时域响应分析 100

5．2．1 典型输入 100

5．2．2 线性系统时域响应一般求法 102

5．2．3 时域响应性能指标 103

5．2．4 一阶和二阶系统的时域响应 104

5．2．5 高阶系统的时域分析 108

5．3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用 110

5．3．1 时域分析中MATLAB函数的应用 110

5．3．2 时域响应性能指标求取 114

5．3．3 二阶系统参数对时域响应性能的影响 117

5．3．4 改善系统时域响应性能的一些措施 120

5．3．5 LTI Viewer应用 124

5．4 稳定性分析 128

5．4．1 稳定性基本概念 128

5．4．2 稳定性判据 129

5．4．3 稳态误差分析 132

5．4．4 MATLAB在稳定性分析中的应用 136

5．5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 137

习题 145

第6章 根轨迹分析法 147

6．1 引言 147

6．2 根轨迹定义 147

6．3 根轨迹法基础 148

6．3．1 幅值条件和相角条件 148

6．3．2 绘制根轨迹的一般法则 150

6．3．3 与根轨迹分析相关的MATLAB函数 152

6．3．4 根轨迹分析与设计工具rltool 154

6．3．5 利用MATLAB绘制根轨迹图举例 156

6．4 其他形式的根轨迹 160

6．4．1 正反馈系统的根轨迹 160

6．4．2 参数根轨迹 160

6．4．3 时滞系统的根轨迹 161

6．4．4 利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例 162

6．5 用根轨迹法分析系统的暂态特性 164

6．6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 167

习题 170

第7章 频域分析法 173

7．1 引言 173

7．2 频率特性基本概念 173

7．2．1 频率特性定义 174

7．2．2 频域分析法的特点 174

7．2．3 频域性能指标 175

7．3 频率特性的表示方法 176

7．3．1 极坐标图（Nyquist图） 176

7．3．2 对数坐标图（Bode图） 176

7．3．3 对数幅相图（Nichols图） 177

7．3．4 典型环节的频率特性 177

7．4 系统开环频率特性作图 180

7．4．1 开环对数频率特性作图 180

7．4．2 开环极坐标作图 181

7．5 频率响应分析 181

7．5．1 开环频率特性的性能分析 181

7．5．2 闭环频率特性的性能分析 183

7．6 MATLAB在频率法中的应用 187

7．6．1 求取和绘制频率响应曲线相关的函数 187

7．6．2 应用实例 188

7．7 频率法的稳定性分析 192

7．7．1 Nyquist稳定判据 192

7．7．2 稳定裕度 194

7．7．3 MATLAB在稳定性分析中的应用 196

7．8 综合实例及MATLAB/Simulink应用 199

习题 201

第8章 控制系统校正与综合 203

8．1 引言 203

8．2 控制系统校正与综合基础 203

8．2．1 控制系统性能指标 203

8．2．2 控制系统校正概述 205

8．3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用 206

8．3．1 PID控制器概述 206

8．3．2 比例（P）控制 207

8．3．3 比例微分（PD）控制 209

8．3．4 积分（I）控制 210

8．3．5 比例积分（PI）控制 211

8．3．6 比例积分微分（PID）控制 212

8．3．7 PID控制器参数整定 212

8．4 控制系统校正的根轨迹法 223

8．4．1 基于根轨迹法的超前校正 223

8．4．2 基于根轨迹法的滞后校正 224

8．4．3 基于根轨迹法的超前滞后校正 224

8．4．4 MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用 225

8．5 控制系统校正的频率响应法 232

8．5．1 基于频率法的超前校正 232

8．5．2 基于频率法的滞后校正 233

8．5．3 MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用 233

8．6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 238

习题 243

第9章 线性系统状态空间分析 245

9．1 引言 245

9．2 线性系统状态空间基础 245

9．2．1 状态空间基本概念 245

9．2．2 状态空间实现 247

9．2．3 状态空间的标准型 255

9．2．4 状态方程求解 258

9．2．5 MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用 264

9．3 线性系统的状态可控性与状态可观性 269

9．3．1 状态可控性 270

9．3．2 状态可观性 271

9．3．3 对偶系统和对偶原理 272

9．3．4 可控标准型和可观标准型 273

9．3．5 MATLAB/Simulink在可控和可观标准型中的应用 276

9．4 线性系统稳定性分析 280

9．4．1 稳定性分析基础 280

9．4．2 李雅普诺夫稳定性分析 281

9．4．3 MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用 284

9．5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 285

习题 288

第10章 线性系统状态空间设计 291

10．1 引言 291

10．2 状态反馈与极点配置 291

10．2．1 状态反馈 292

10．2．2 输出反馈 293

10．2．3 极点配置 294

10．2．4 MATLAB/Simulink在极点配置中的应用 296

10．3 状态观测器 300

10．3．1 状态观测器的基本概念 301

10．3．2 全维状态观测器 302

10．3．3 降维状态观测器 307

10．3．4 MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用 310

10．4 综合实例及MATLAB/Simulink应用 311

习题 316

第11章 非线性系统 319

11．1 引言 319

11．2 非线性系统概述 319

11．2．1 非线性控制理论发展概况 319

11．2．2 典型非线性特性 320

11．2．3 Simulink中的非线性模块 322

11．3 相平面法 324

11．3．1 相平面法基础知识 325

11．3．2 MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用 326

11．4 描述函数法 333

11．4．1 描述函数基本概念 333

11．4．2 描述函数定义 333

11．4．3 描述函数的计算 335

11．4．4 非线性系统的稳定性分析 336

11．5 MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用 337

11．6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 340

习题 345

第12章 离散控制系统 346

12．1 引言 346

12．2 离散控制系统基本概念 346

12．2．1 离散控制系统概述 346

12．2．2 离散信号的数学描述 348

12．3 离散控制系统的研究方法 351

12．3．1 线性连续与离散控制系统研究方法类比 352

12．3．2 MATLAB中的离散控制系统相关的函数 352

12．4 Z变换 353

12．4．1 离散信号的Z变换 353

12．4．2 Z变换与Z反变换常用方法 355

12．5 离散控制系统数学模型 358

12．5．1 离散系统时域数学模型 358

12．5．2 离散系统频域数学模型 360

12．6 离散控制系统性能分析 366

12．6．1 稳定性分析 366

12．6．2 静态误差分析 367

12．6．3 动态特性分析 369

12．6．4 MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用 371

12．7 综合实例及MATLAB/Simulink应用 383

习题 388

第13章 最优控制系统 390

13．1 引言 390

13．2 最优控制问题的描述 390

13．3 线性二次型最优控制问题 391

13．4 MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用 392

13．5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 393

习题 397

参考文献 399