计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统

　　本书为普通高等教育"十一五”国家级规划教材。全书全面论述控制系统计算机仿真的基本概念和原理，系统介绍了当前国际控制界流行的面向工程与科学计算的高级语言MATLAB及其动态仿真集成环境Simulink，并以新版MATLAB/Simulink为平台，详细阐述控制系统的数学模型及其转换、连续系统和离散系统的仿真方法、控制系统的计算机辅助分析与设计；*后特别介绍基于图形界面的MATLAB工具箱的线性和非线性控制系统设计方法。本书取材先进实用，讲解深入浅出，各章均有大量的例题，并提供了相应的仿真程序，便于读者掌握和巩固所学知识。

　　李国勇，工学博士，山西省教学名师，太原理工大学教授，研究生导师。主编出版高等学校规划教材和专著等23部，《现代控制理论》2009年被评为***精品教材。其中《自动控制理论》2009年被评为山西省精品课程，2010年被评为山西省精品资源共享课。带领教学团队2010年获山西省教学成果一等奖。

第0章绪论
0.1仿真技术简介
0.2计算机仿真技术的发展概况
0.3计算机仿真技术的应用
0.4控制系统计算机辅助设计的主要
内容及其应用
0.5基于MATLAB的控制系统仿真的
现状
习题
第1章仿真软件――MATLAB
1.1MATLAB的功能特点
1.2MATLAB的基本操作
1.2.1语言结构
1.2.2磁盘文件
1.2.3库函数和数值显示格式
1.2.4基本输入输出函数
1.2.5外部程序调用
1.3MATLAB的控制语句
1.3.1循环语句
1.3.2程序流控制语句
1.3.3条件转移语句
1.4MATLAB的绘图功能
1.4.1二维图形
1.4.2三维图形
1.4.3图像处理
1.5MATLAB的数值运算
1.5.1矩阵运算
1.5.2向量运算
1.5.3关系和逻辑运算
1.5.4多项式运算
1.5.5数据处理
1.5.6数据分析
1.5.7函数极值
1.5.8代数方程求解
1.5.9微分方程求解
1.5.10函数积分
1.6MATLAB的符号运算
1.6.1符号表达式的生成
1.6.2符号表达式的基本运算
1.6.3符号表达式的微积分
1.6.4符号表达式的变换
1.6.5符号表达式的求解
1.7MATLAB的文件I/O
1.7.1处理二进制文件
1.7.2处理文本文件
1.8MATLAB的图形界面
1.8.1启动GUI Builder
1.8.2对象设计编辑器
1.9MATLAB编译器
1.9.1创建MEX文件
1.9.2创建EXE文件
本章小结
习题
第2章控制系统的数学模型及其转换
2.1线性系统数学模型的基本描述
方法
2.2系统数学模型间的相互转换
2.3系统模型的连接
2.4典型系统的生成
2.5系统的离散化和连续化
2.6系统的特性值
本章小结
习题
第3章连续系统的数字仿真
3.1数值积分法
3.2面向系统传递函数的仿真
3.3面向系统结构图的仿真
3.4连续系统的快速仿真
本章小结
习题
第4章连续系统按环节离散化的数字
仿真
4.1连续系统的离散化
4.2典型环节的离散系数及其差分
方程
4.3非线性系统的数字仿真方法
4.4连续系统按环节离散化的数字
仿真程序
本章小结
习题
第5章采样控制系统的数字仿真
5.1采样控制系统
5.2模拟调节器的数字化仿真方法
5.3采样控制系统的数字仿真程序
5.4关于纯滞后环节的数字仿真
本章小结
习题
第6章动态仿真集成环境――Simulink
6.1Simulink简介
6.1.1Simulink的启动
6.1.2Simulink库浏览窗口的功能菜单
6.1.3仿真模块集
6.2模型的构造
6.2.1模型编辑窗口
6.2.2对象的选定
6.2.3模块的操作
6.2.4模块间的连线
6.2.5模型的保存
6.2.6模块名字的处理
6.2.7模块内部参数的修改
6.2.8模块的标量扩展
6.3连续系统的数字仿真
6.3.1利用Simulink菜单命令进行仿真
6.3.2利用MATLAB的指令操作方式
进行仿真
6.3.3模块参数的动态交换
6.3.4Simulink调试器
6.4离散系统的数字仿真
6.5仿真系统的线性化模型
6.6创建子系统
6.7封装编辑器
6.7.1参数(Parameters)页面
6.7.2图标(Icon)页面
6.7.3初始化(Initialization)页面
6.7.4描述(Documentation)页面
6.7.5功能按钮
6.8条件子系统
本章小结
习题
第7章控制系统的计算机辅助分析
7.1控制系统的时域分析
7.1.1控制系统的稳定性
7.1.2控制系统的时域响应
7.1.3控制系统的稳态误差
7.2根轨迹分析
7.2.1根轨迹的绘制
7.2.2根轨迹的分析
7.3控制系统的频域分析
7.3.1连续控制系统的频域分析
7.3.2离散控制系统的频域分析
7.3.3时间延迟系统的频域分析
7.3.4基于频率特性的系统辨识
7.4系统的能控性和能观测性分析
7.4.1系统的能控性和能观测性
7.4.2将系统按能控性和不能控性进行
分解
7.4.3将系统按能观测性和不能观测性
进行分解
7.5系统模型的降阶
7.5.1平衡实现
7.5.2模型降阶
本章小结
习题
第8章控制系统的计算机辅助设计
8.1频率法的串联校正
8.1.1基于频率响应法的串联超前校正
8.1.2基于频率响应法的串联滞后校正
8.1.3基于频率响应法的串联滞后-超前
校正
8.2根轨迹法的串联校正
8.2.1基于根轨迹法的串联超前校正
8.2.2基于根轨迹法的串联滞后校正
8.2.3基于根轨迹法的串联滞后-超前
校正
8.3状态反馈和状态观测器的设计
8.3.1状态反馈
8.3.2状态观测器
8.3.3带状态观测器的状态反馈系统
8.3.4离散系统的极点配置和状态
观测器
8.3.5系统解耦
8.3.6系统估计器
8.3.7系统控制器
8.4最优控制系统设计
8.4.1状态反馈的线性二次型最优控制
8.4.2输出反馈的线性二次型最优控制
本章小结
习题
第9章基于MATLAB工具箱的控制
系统分析与设计
9.1控制系统工具箱简介
9.2线性时不变系统的对象模型
9.2.1LTI对象
9.2.2模型建立及模型转换函数
9.2.3LTI对象属性的存取和设置
9.3线性时不变系统浏览器――LTI
Viewer
9.4单输入单输出系统设计工具――SISO
Design Tool
9.4.1MATLAB 6.x的SISO Design Tool
9.4.2MATLAB 7.x/8.x的SISO Design
Tool
9.5非线性控制系统设计
9.5.1NCD Blockset模块及其应用
9.5.2Signal Constraint模块及其应用
9.5.3Check Step Response Characteristics
模块及其应用
9.5.4其他非线性控制系统的设计
问题
本章小结
习题
第10章Simulink的扩展工具――
S.函数
10.1S.函数简介
10.2S.函数的建立
10.2.1用M文件创建S.函数
10.2.2用C语言创建S.函数
10.3S.函数编译器
10.4S.函数包装程序
本章小结
习题
附录AMATLAB函数一览表
附录BMATLAB函数分类索引
参考文献

　　本书自2003年9月初版和2008年1月及2012年2月的两次再版以来，深得广大读者的关心和支持，被国内多所高等学校选做教材，先后重印14次，累计印数46000册。再版教材被评为自动化专业精品教材和优秀畅销书，并先后入选普通高等教育“十一五”和“十二五”国家级教材规划。

　　这次修订在保持前三版内容系统、实用、易读的特点，以及框架结构基本不变的基础上，充分考虑能适应新形势下计算机仿真技术类课程教学和适用于不同层次院校的选学需要，体现宽口径专业教育思想，反映先进的技术水平，强调教学实践的重要性，有利于学生自主学习和动手实践能力的培养，适应卓越工程师人才培养的要求。同时也符合自动化专业培养目标、反映自动化专业教育改革方向、满足自动化专业教学需要和满足多学科交叉背景学生的教学需求。

　　本书在叙述MATLAB通用功能时，对内容是精心挑选的，但在书后的索引中罗列了通用功能的几乎全部指令，以备读者查阅需要。面对MATLAB 6.x/7.x/8.x部分功能的较大变化，本书第4版撰写了MATLAB 6.x、MATLAB 7.x和MATLAB 8.x三个不同经典版本的内容，以满足不同读者的需求。因为随着MATLAB的迅速变化，尽管目前最新版本MATLAB 8.6与版本MATLAB 7.5（R2007b）相比，其内容急剧扩充，但就其本教材所涉及的内容而言，它们并无本质性变化。另外，最新版本安装程序大，且运行速度慢，尤其是启动初始化时特慢。而MATLAB6.5占用空间小，启动速度快，运行时间短，且功能已满足一般使用者和教学大纲的要求，故它仍为当前较为流行的教学版本。

　　本书修订后从内容上来说：涉及面更广，几乎包括了计算机仿真、控制系统计算机辅助分析与设计、MATLAB和Simulink的所有基本内容和使用方法。对于涉及本课程内容的MATLAB较大变化，本书都分别按其版本进行了介绍。各部分内容力求精而简，且各章均配有适当的例题和习题，并提供了相应的用MATLAB编写的仿真程序。

　　本教材适用学时数为32~64（2~4学分），各章节编排具有相对的独立性，使教师与学生便于取舍，便于不同层次院校的不同专业选用，以适应不同教学学时的需要。教材内容完善、新颖、有利于学生能力的培养。

　　本书由李国勇主编，程永强副主编。全书共包括11章和2个附录，其中第0章由程永强编写；第1章由李骉编写；第2章由续欣莹编写；第3章由李晔编写；第4章由郭红戈编写；第5章由阎高伟编写；第6章由杨丽娟编写；第7章由杨麦仓编写；第8章由王婷编写；第9章由李国勇编写；第10章由陈译华编写；附录A由魏峰编写；附录B由郑晋平编写。全书由李国勇教授整理定稿。李虹教授主审了全书，提出了许多宝贵的意见和建议，在此深表谢意。

　　本书可作为高等院校自动化和控制类各专业本科生和研究生教材。鉴于本书的通用性和实用性教强，故也可作为从事自动控制及相关专业的教学、研究、设计人员和工程技术人员的参考用书。

　　由于作者水平有限，书中仍难免有遗漏与不当之处，故恳请有关专家、同行和广大读者批评指正。