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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

电力拖动自动控制系统的应用1

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

控制系统计算机仿真2

控制系统计算机仿真的过程3

1.3控制系统MATLAB计算与仿真3

先进的软件MATLAB3

控制系统的MATLAB计算与仿真6

上篇 MATLAB语言基础7

第2章 MAT LAB 7.1系统概述7

2.1 MATLAB 7.1安装与启动7

MATLAB 7.1的安装7

Notebook的安装11

MATLAB 7.1的启动11

Notebook的启动12

2.2 MATLAB 7.1的系统界面13

MATLAB 7.1系统的4个小窗口13

MATLAB 7.1的命令窗口（Command Window）14

MATLAB 7.1菜单项命令15

MATLAB 7.1工具栏按钮21

Start开始按钮21

2.3 MATLAB 7.1的内容及其查找21

MATLAB 7.1的内容22

MATLAB 7.1内容的查找25

MATLAB 7.1的模糊查询27

MATLAB 7.1的Work子目录27

2.4 MATLAB的文字处理工具Notebook27

Notebook菜单命令简介28

Notebook的使用28

Notebook使用的几个问题29

第3章 MATLAB数值运算30

3.1 MATLAB的数值运算基础30

常量30

变量31

MATLAB运算符31

3.2 MATLAB的数组、矩阵运算33

数组、矩阵的概念33

数组或矩阵元素的标识34

数组与矩阵的输入35

数组、矩阵的算术运算37

矩阵的特有运算41

数组的关系运算48

数组的逻辑运算48

3.3 MATLAB的数组函数与矩阵函数49

数组函数49

矩阵函数50

3.4多项式及其运算51

多项式运算函数52

多项式运算举例52

3.5 MATLAB的数学表达式及其书写54

MATLAB的数学表达式54

MATLAB数学表达式的书写54

第4章 MATLAB符号运算基础56

4.1 MATLAB符号运算概述56

MATLAB符号运算入门56

MATLAB符号运算的几个基本概念57

4.2 MATLAB符号对象的基本运算与关系运算59

4.3 MATLAB符号运算的基本函数59

符号变量代换及其函数subs（）60

符号对象转换为数值对象的函数double（）、digits（）、vpa（）、numeric（）60

MATLAB符号表达式的化简61

4.4 MATLAB符号微积分运算62

MATLAB符号极限运算63

MATLAB符号函数微分运算63

MATLAB符号函数积分运算64

符号求和函数与Taylor（泰勒）级数展开函数65

4.5 MATLAB符号矩阵的几种特殊运算67

矩阵的微分与积分67

Jacobian矩阵68

矩阵的Jordan标准形69

4.6 MATLAB符号方程求解70

MATLAB符号代数方程求解70

MATLAB符号微分方程求解71

4.7复变函数计算的MATLAB实现73

复数的概念73

MATLAB关于复变量的函数命令73

复数的生成与创建复矩阵74

复数的几何表示75

复数代数运算的MATLAB实现76

第5章 MATLAB程序设计79

5.1 M文件、MATLAB函数与MATLAB程序79

M文件79

MATLAB函数79

MATLAB命令文件或程序81

5.2 MATLAB程序设计基础82

MATLAB程序设计基本规则83

表达式、表达式语句与赋值语句83

程序流程控制语句84

程序流程控制指令89

5.3 MATLAB程序设计再举例90

第6章 MATLAB 7.1常用图形命令与符号函数图形命令92

6.1 MATLAB的常用图形命令92

绘图函数plot（）92

绘图坐标系的调整93

图形标注93

多次重叠绘制图形95

图形窗口的分割97

6.2 MATLAB的特殊坐标绘图函数97

对数坐标曲线97

极坐标曲线98

双y轴坐标曲线98

复数的图形曲线99

6.3 MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数100

MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem（）100

MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs（）100

6.4 MATLAB符号函数的图形命令101

符号函数的简捷绘图函数命令ezplot（）101

符号函数的绘图函数命令fplot（）103

符号函数的极坐标绘图函数命令ezpoar（）104

中篇 控制系统MATLAB仿真基础105

第7章 MATLAB7.1的仿真集成环境Simulink 6.3105

7.1 Simulink仿真特色与其模型窗口105

Simulink仿真特色105

进入MATLAB 7.1的Simulink 6.3106

Simulink 6.3的模型窗口概述107

7.2 Simulink 6.3的界面与组成110

Simulink 6.3功能模块组的打开与关闭111

Simulink 6.3功能模块的分类及其用途112

有关Simulink 6.3的几个问题123

7.3用Simulink建立系统模型123

打开模型窗口的方法124

模块的查找与选择124

模块的复制、移动与删除124

模块的连接126

模块标题名称的修改127

系统结构图模型标题名称的标注与修改127

创建模型的取消与复原操作127

模型文件的保存与打开127

模型框图的打印128

Simulink建模注意事项128

7.4常用15个模块内部参数的设置或修改128

7.5观察Simulink的仿真结果135

使用示波器模块观察仿真输出135

使用To Workspace模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中137

使用Out模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中139

7.6 Simulink的分析工具140

模型线性化概述140

连续系统的线性化模型140

7.7自定义子系统与子系统的封装141

自定义子系统141

子系统的封装143

第8章 常用电气系统（SimPowerSystems）实体图形化仿真模型147

8.1基本电路元件的仿真模型147

电源147

RLC元件149

8.2常用电机与变压器的仿真模型150

电机150

变压器154

8.3基本电力电子器件的仿真模型156

二极管（Diode）156

晶闸管（Thyristor）158

可关断晶闸管（GTO）159

电力场效应管（MOSFET）161

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）162

理想开关（Ideal Switch）163

多功能桥式整流电路（Universal Bridge）164

8.4电力电子变流器典型驱动装置的仿真模型165

同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator）166

同步12脉冲触发器（Synchronized 12-Pulse Generator）167

脉宽调制PWM脉冲发生器（PWM Generator）167

脉冲信号发生器（Pulse Generator）169

8.5常用测量元件的仿真模型170

电压测量（Voltage Measure-ment）170

电流测量（Current Measure-ment）171

万用表（Multimeter）171

三相电压电流测量（Three-Phase V-I Measurement）172

选路器或选择开关（Selector）173

第9章 控制系统数学模型的MATLAB实现175

9.1 LTI 3种对象及其属性175

LTI对象与set（）函数175

3种对象的属性175

9.2控制系统数学模型对象的种类及转换176

控制系统数学模型176

3种系统数学模型之间的转换179

第4种系统数学模型对象（Simulink模型）181

9.3环节方框图模型的化简182

环节串联连接的化简182

环节并联连接的化简183

环节反馈连接的化简183

9.4用系统Simulink模型结构图化简控制系统模型184

9.5控制系统3类基本数学模型及举例185

第10章 连续系统时域分析的MATLAB实现189

10.1控制系统时域分析的几个基本概念189

10.2 Laplace变换及反变换191

Laplace变换与反变换的概念191

两个特殊函数的表示法192

计算用图形表示的函数的Laplace变换192

计算函数的Laplace变换194

利用留数将象函数表达式展成部分分式195

用Laplace反变换求原函数197

用Laplace变换定义传递函数198

用Laplace反变换求解微分方程199

10.3 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真202

时域响应MATLAB仿真的函数指令格式202

MATLAB函数指令时域响应仿真示例205

10.4利用Simulink动态结构图的时域响应仿真示例212

利用Simulink动态结构图模型指令方式下的时域响应仿真实例212

在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真实例213

第11章 连续系统稳定性分析的MATLAB实现214

11.1控制系统稳定性分析概述214

控制系统稳定性简述214

控制系统有关稳定性的几个基本概念214

11.2代数稳定判据的MATLAB实现215

11.3用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现217

11.4用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现221

用Bode图判定系统稳定性221

用Nyquist曲线判定系统稳定性223

第12章 连续系统稳态误差计算的MATLAB实现225

12.1控制系统误差（响应）与稳态误差及其误差传递函数225

控制系统误差225

控制系统稳态误差225

控制系统稳态误差的计算原理225

控制系统两个重要概念226

闭环系统的误差传递函数226

12.2控制系统稳态误差的计算227

控制系统的静态误差系数与动态误差系数227

三种典型信号给定输入作用下的稳态误差230

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233

从输出端定义的非单位负反馈系统的误差计算236

扰动输入作用下的稳态误差计算237

12.3控制系统稳态误差计算举例240

第13章 连续系统根轨迹分析的MATLAB实现241

13.1有关根轨迹的几个基本概念241

13.2控制系统根轨迹分析的MATLAB实现242

根轨迹分析MATLAB实现的函数指令格式242

根轨迹分析的MATLAB实现再举例244

13.3 MATLAB基于根轨迹的设计工具247

根轨迹设计工具简述247

根轨迹设计工具示例249

第14章 连续系统频域分析的MATLAB实现251

14.1有关频域分析的几个概念251

14.2控制系统的频率特性253

14.3连续系统频域分析的MATLAB实现256

频域响应Bode图的函数指令格式及示例256

频域分析Nyquist曲线的函数指令格式及示例259

频域分析Nichols曲线的函数指令格式及示例262

频域响应的模值裕度与相位裕度函数指令格式及示例263

第15章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现269

15.1有关非线性系统分析的基本概念269

15.2典型非线性特性的描述函数271

15.3描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现272

非线性系统自振分析272

描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现示例273

第16章 离散系统分析的MATLAB实现279

16.1离散系统的基本概念279

连续系统与离散系统279

采样过程与采样定理279

信号复现与零阶保持器281

16.2 z变换与z反变换282

z变换与z反变换的概念282

MATLAB的z变换函数命令与使用283

MATLAB的z反变换函数命令与使用287

16.3差分方程的z变换解法289

差分的概念289

差分方程的概念290

差分方程的求解290

16.4离散控制系统的脉冲传递函数291

脉冲传递函数的概念291

开环系统脉冲传递函数及其举例292

闭环系统脉冲传递函数及其举例294

16.5离散系统稳定性分析的MATLAB实现295

从s平面到z平面的映射295

z域稳定条件及稳定判据296

z平面到w平面的映射与在w平面应用稳定判据297

16.6单位反馈离散系统稳态误差的MATLAB计算300

单位阶跃输入作用时的稳态误差300

单位斜坡函数输入作用时的稳态误差300

单位加速度函数输入作用时的稳态误差301

16.7离散系统动态性能分析的MATLAB实现示例303

下篇 控制系统MATLAB计算及仿真308

第17章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真308

17.1简单闭环控制的MATLAB计算及仿真308

自动控制系统的基本概念308

简单闭环控制系统的数学模型309

简单闭环控制系统的MATLAB仿真实例310

线性时不变系统（LTI）观测器316

17.2多闭环控制系统的MATLAB计算及仿真319

多闭环控制系统概述319

多闭环控制系统的数学模型319

双闭环调速系统的MATLAB计算与仿真实例319

三环控制系统的MATLAB计算与仿真329

17.3转速负反馈闭环直流调速系统的实体图形化模型仿真332

转速负反馈单闭环直流脉宽PWM-M调速系统的仿真332

转速负反馈单闭环无差直流调速系统的仿真334

转速、电流双闭环直流V-M调速系统的仿真337

17.4位置随动系统的MATLAB计算及仿真338

位置随动系统的概念338

位置随动系统的控制特点338

位置随动系统的分析方法与品质指标339

位置随动系统MATLAB计算及仿真实例339

17.5过程控制系统的MATLAB计算及仿真349

生产过程控制的特点349

过程控制中被控对象的动态特性350

过程控制系统的性能指标350

控制系统中延迟特性的处理352

简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真353

串级控制系统的MATLAB计算及仿真355

前馈控制系统的MATLAB计算及仿真358

大延迟系统的MATLAB计算及仿真362

第18章 连续线性控制系统校正设计的MATLAB实现366

18.1控制系统校正设计概述366

经典控制系统的校正设计366

控制系统校正设计的基本概念366

控制系统的无源校正与有源校正367

控制系统串联校正的基本思路367

控制系统校正设计应注意的几个问题368

18.2控制系统Bode图校正设计法368

Bode图超前校正设计369

Bode图滞后校正设计376

Bode图滞后—超前校正设计382

18.3控制系统根轨迹设计法385

根轨迹超前校正设计385

根轨迹滞后校正设计392

18.4控制系统PID校正设计法395

PID调节简述395

PID调节规律395

PID调节作用分析396

PID校正设计方法399

第19章 线性系统状态空间分析的MATLAB实现410

19.1控制系统状态空间分析的基本概念410

19.2系统状态空间表达式及其状态方程的解412

状态空间表达式的建立412

系统状态方程的解414

求控制系统的特征方程、特征值及特征向量416

连续系统状态方程的离散化418

19.3系统状态方程的线性变换420

传递矩阵420

状态方程的线性变换421

Vandermonde（范德蒙德）矩阵与Jordan（约当）标准形424

19.4线性系统的可控性与可观性426

线性系统的可控性426

线性系统的可观测性431

线性定常系统的实现问题435

19.5系统状态反馈与状态观测器437

系统的输出反馈与闭环系统的传递矩阵437

系统的状态反馈与闭环系统的状态矩阵438

系统的极点配置438

系统的状态观测器440

系统的状态降维观测器441

19.6 Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现445

系统稳定性概述445

李亚普诺夫意义下的稳定性理论446

线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析447

李亚普诺夫方程的求解450

第20章 线性二次型最优控制的MATLAB实现452

20.1最优控制的基本概念452

最优控制问题452

最优控制的性能指标453

最优控制问题的数学分类法454

最优控制问题的求解方法454

线性二次型最优控制455

20.2连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现455

连续系统线性二次型最优控制455

连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现456

连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现示例456

20.3离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现457

离散系统稳态线性二次型最优控制457

离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现与示例458

20.4最优观测器的MATLAB实现460

连续时不变系统的Kalman滤波460

Kalman滤波的MATLAB实现461

Kalman滤波的MATLAB实现示例462

20.5线性二次型Guass最优控制的MATLAB实现463

LQG最优控制的求解463

LQG最优控制的MATLAB实现与示例464

附录 作者编写的MATLAB函数466

参考文献479