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出版说明1

前言1

第1章 控制系统仿真与计算机辅助设计概述1

1.1 控制理论和控制系统概述1

1.1.1 自动控制理论的历史回顾1

目录1

1.1.2 控制系统分类2

1.2 系统仿真与仿真语言工具概述2

1.2.1 系统仿真与控制系统仿真2

1.2.2 数学软件的发展3

1.2.3 控制系统仿真与计算机辅助设计软件6

1.3.1 本书结构概述7

1.3 本书主要结构及相关内容7

1.3.2 MATLAB语言的相关资源8

1.3.3 书中的MATLAB代码9

1.4 本章要点小结9

1.5 习题9

第2章 MATLAB语言—必备的基础知识11

2.1 MATLAB的数据结构与语句结构12

2.1.1 MATAB语言的变量与常量12

2.1.2 MATLAB的数据结构12

2.1.3 MATLAB的基本语句结构13

2.1.4 MATLAB语言的基本运算14

2.2.1 循环结构17

2.2 MATLAB基本控制流程结构17

2.2.2 转移结构19

2.2.3 开关结构20

2.2.4 试探结构21

2.3 MATLAB的M-函数设计21

2.3.1 MATLAB语言的函数的基本结构21

2.3.2 可变输入输出个数的处理24

2.4 MATLAB的图形可视化24

2.4.1 二维图形的绘制24

2.4.2 三维图形的绘制30

2.5.1 线性代数问题的MATLAB求解34

2.5 MATLAB语言与现代科学运算34

2.4.3 图形修饰34

2.5.2 常微分方程问题的MATLAB求解41

2.5.3 最优化问题的MATLAB求解44

2.6 本章要点小结48

2.7 习题49

第3章 控制系统模型与转换53

3.1 连续线性系统的数学模型53

3.1.1 线性系统的传递函数模型53

3.1.2 线性系统的状态方程模型57

3.1.3 线性系统的零极点模型59

3.1.4 多变量系统的传递函数矩阵模型60

3.2.1 离散传递函数模型61

3.2 离散系统模型61

3.2.2 离散状态方程模型63

3.3 框图描述系统的化简64

3.3.1 控制系统的典型连接结构64

3.3.2 纯时间延迟环节的处理67

3.3.3 节点移动时的等效变换69

3.3.4 复杂系统模型的简化70

3.4 系统模型的相互转换71

3.4.1 连续模型和离散模型的相互转换71

3.4.2 系统传递函数的获取75

3.4.3 控制系统的状态方程实现76

3.4.4 状态方程的最小实现80

3.5 线性系统的模型辨识82

3.5.1 连续系统的模型辨识82

3.5.2 离散系统的模型辨识85

3.5.3 离散系统辨识信号的生成89

3.5.4 多变量离散系统的辨识91

3.6 本章要点小结93

3.7 习题93

第4章 线性控制系统的计算机辅助分析98

4.1 线性系统定性分析98

4.1.1 线性系统稳定性分析98

4.1.2 线性系统的线性相似变换101

4.1.3 线性系统的可控性分析102

4.1.4 线性系统的可观测性分析107

4.1.5 Kalman规范分解108

4.2 线性系统时域响应解析解法108

4.2.1 基于状态方程的解析解方法108

4.2.2 基于部分分式展开方法求解111

4.2.3 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标116

4.3 线性系统的数字仿真分析118

4.3.1 线性系统的时域响应119

4.3.2 任意输入下系统的响应123

4.4 根轨迹分析124

4.5 线性系统频域分析128

4.5.1 单变量系统的频域分析129

4.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性132

4.5.3 多变量系统的频域分析135

4.5.4 频域分析的复域空间扩展138

4.6 本章要点小结140

4.7 习题141

第5章 Simulink在系统仿真中的应用145

5.1 Simulink建模的基础知识145

5.1.1 Simulink简介145

5.1.2 Simulink下常用模块简介147

5.1.3 Simulink下其他工具箱的模块组151

5.2 Simulink建模与仿真152

5.2.1 Simulink建模方法简介152

5.2.2 仿真算法与控制参数选择155

5.2.3 Simulink在控制系统仿真研究中的应用举例157

5.3 非线性系统分析与仿真166

5.3.1 分段线性的非线性环节167

5.3.2 非线性系统的极限环研究170

5.3.3 非线性环节的描述函数数值求取方法172

5.3.4 非线性系统的线性化174

5.4 子系统与模块封装技术176

5.4.1 子系统概念及构成方法177

5.4.2 模块封装方法177

5.4.3 模块集构造182

5.5 S-函数及其应用183

5.5.1 S-函数的基本结构184

5.5.2 用MATLAB编写S-函数举例185

5.5.3 S-函数的封装188

5.6 输出显示形式188

5.7 本章要点小结190

5.8 习题192

第6章 控制系统计算机辅助设计196

6.1 基于传递函数的控制器设计方法196

6.1.1 串联超前滞后校正器197

6.1.2 基于相位裕量的设计方法199

6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面203

6.2 基于状态空间模型的控制器设计方法206

6.2.1 状态反馈控制207

6.2.2 线性二次型指标最优调节器207

6.2.3 极点配置控制器设计210

6.2.4 观测器设计及基于观测器的调节器设计212

6.3 过程控制系统的PID控制器设计217

6.3.1 PID控制器概述217

6.3.2 过程系统的一阶延迟模型近似220

6.3.3 Ziegler-Nichols参数整定方法224

6.3.4 最优PID整定算法230

6.3.5 大时间延迟的Smith预估器补偿232

6.4 PID工具箱应用举例235

6.4.1 基于FOLPD的PID控制器设计程序235

6.4.2 Simulink下的PID控制器模块集237

6.5.1 最优控制的概念240

6.5 最优控制器设计240

6.5.2 基于MATLAB/Simulink的最优控制程序及其应用244

6.5.3 最优控制程序的其他应用249

6.6 本章要点小结250

6.7 习题250

第7章 控制工程中的仿真技术应用253

7.1 电路电子系统的建模与仿真253

7.1.1 复杂系统的Simulink建模概述253

7.1.2 SimPowerSystems简介254

7.1.3 电路系统的建模与仿真254

7.1.4 电子电路的建模与仿真259

7.2 直流电动机双闭环拖动系统的建模与仿真264

7.2.2 电机模型库及直流电动机建模265

7.2.1 晶闸管整流系统仿真模型265

7.3.1 半实物仿真概述271

7.3 半实物仿真系统及其应用271

7.3.2 dSPACE简介273

7.3.3 dSPACE模块组274

7.3.4 半实物仿真举例275

7.4 本章要点小结278

7.5 习题278

附录A 常用MATLAB控制系统函数281

A.1 MATLAB语言的联机帮助系统281

A.2 有关MATLAB的控制类函数列表282

A.3 作者为本书编写的配套MATLAB函数286

B.1 Laplace变换及其反变换287

附录B 积分变换问题及MATLAB直接求解287

B.2 Z变换及其反变换288

B.3 Laplace变换和Z变换的计算机求解289

B.4 本附录要点小结293

B.5 习题294

附录C Scilab语言简介295

C.1 Scilab简介295

C.2 Scilab的程序设计基础295

C.2.1 Scilab变量、常量与数据结构295

C.2.2 Scilab的基本语句结构296

C.2.3 Scilab语言的流程控制语句结构297

C.3 Scilab绘图语句及功能298

C.2.4 Scilab编程298

C.2.5 Scilab与MATLAB的接口298

C.3.1 二维图形绘制299

C.3.2 三维图形绘制299

C.4 Scilab下的基于模型的仿真方法300

C.5 Scilab下数学问题求解方法300

C.5.1 数值线性代数问题求解300

C.5.2 微分方程的数值解301

C.5.3 最优化问题的求解302

C.6.1 控制系统模型描述及变换303

C.6.2 控制系统分析303

C.6 Scilab在控制系统分析与设计中的应用303

C.6.3 控制系统计算机辅助设计305

C.7 本附录要点小结305

C.8 习题305

附录D 反馈系统分析与设计程序CtrlLAB简介307

D.1 CtrlLAB的安装与运行307

D.2 控制系统模型的输入与处理308

D.3 反馈控制系统的分析309

D.4 反馈控制系统计算机辅助设计309

D.5 本附录要点小结310

D.6 习 题311

参考文献312