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第1章 自动控制系统与仿真基础知识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1

目录1

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3

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

1.4.1 计算机仿真基本概念6

1.3.3 恒值系统和随动系统6

1.4 自动控制系统仿真基本概念6

1.4.2 自动控制系统仿真8

1.4.3 自动控制系统计算机仿真基本过程8

1.4.4 计算机仿真技术发展趋势9

1.5 MATLAB与控制系统仿真10

第2章 MATLAB基础知识11

2.1 引言11

2.1.1 MATLAB发展历程11

2.1.2 MATLAB系统构成12

2.1.3 MATL.AB 7.0工具箱12

2.1.4 MATLAB 7.0/Simulink 6.0最新特点14

2.2 MATLAB桌面操作环境16

2.2.1 MATLAB启动和退出16

2.2.2 MATLAB主菜单及功能17

2.2.3 MATLAB命令窗口20

2.2.4 MATLAB工作空间21

2.2.5 MATLAB文件管理22

2.2.6 MATLAB帮助使用22

2.3 MATLAB数值计算23

2.3.1 MATLAB数值类型23

2.3.2 矩阵运算25

2.4 关系运算和逻辑运算30

2.5 符号运算32

2.5.1 符号运算基础32

2.5.2 常用符号运算32

2.5.3 控制系统中常用的符号运算34

2.6 MATLAB常用绘图命令35

2.7 MATLAB程序设计38

2.7.1 MATLAB程序类型38

2.7.2 MATLAB程序流程控制39

2.7.3 MATLAB程序基本设计原则42

3.2.1 Simulink启动44

3.2 Simulink的使用44

3.1 引言44

第3章 仿真集成环境Simulink44

3.2.2 Simulink仿真设置46

3.2.3 Simulink模块库简介52

3.2.4 Simulink功能模块的处理64

3.3 Simulink自定义功能模块67

3.3.1 采用Subsystem构建自定义功能模块67

3.3.2 多个模块组合自定义功能模块67

3.3.3 自定义功能模块的封装67

3.4 S函数设计与应用69

3.4.1 S函数设计69

3.4.2 S函数应用72

3.5 Simulink仿真举例73

第4章 控制系统数学模型78

4.1 引言78

4.2 动态过程微分方程描述78

4.3 拉氏变换与控制系统模型82

4.4 动态过程的传递函数描述84

4.4.1 传递函数定义与性质85

4.4.2 传递函数零极点表示86

4.4.3 传递函数的部分分式表示87

4.5 动态过程状态空间描述89

4.6.1 模型转换91

4.6 系统模型转换及连接91

4.6.2 模型连接94

4.7 非线性数学模型的线性化99

第5章 时域分析法101

5.1 引言101

5.2 时域响应分析101

5.2.1 典型输入101

5.2.2 线性系统时域响应一般求法103

5.2.3 时域响应性能指标104

5.2.4 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用106

5.2.5 一阶和二阶系统时域响应分析111

5.2.6 高阶系统的时域分析121

5.3 稳定性分析124

5.3.1 稳定性基本概念124

5.3.2 稳定性判据125

5.3.3 稳态误差分析128

5.3.4 MATLAB在稳定性分析中的应用133

第6章 根轨迹分析法135

6.1 引言135

6.2 根轨迹定义135

6.3 根轨迹法基础136

6.3.1 幅值条件和相角条件136

6.3.2 绘制根轨迹的一般法则138

6.3.3 与根轨迹分析相关的MATLAB函数140

6.3.4 利用MATLAB绘制根轨迹图举例146

6.4 其他形式的根轨迹147

6.4.1 正反馈系统的根轨迹148

6.4.2 参数根轨迹149

6.4.3 时滞系统的根轨迹150

6.5 用根轨迹法分析系统的暂态特性151

7.2.1 频率特性基本概念155

7.2 频率特性155

7.1 引言155

第7章 频域分析法155

7.2.2 频率响应曲线157

7.3 频率响应分析164

7.3.1 系统品质分析164

7.3.2 稳定性分析168

第8章 控制系统校正与综合177

8.1 引言177

8.2 控制系统校正与综合基础177

8.2.1 控制系统性能指标177

8.2.2 控制系统校正概述178

8.3.1 PID控制器概述180

8.3 PID控制器设计180

8.3.2 比例（P）控制181

8.3.3 比例微分（PD）控制183

8.3.4 积分（I）控制184

8.3.5 比例积分（PI）控制185

8.3.6 比例积分微分（PID）控制186

8.3.7 PID控制器参数整定187

8.4 控制系统校正的根轨迹法198

8.4.1 基于根轨迹法的超前校正199

8.4.2 基于根轨迹法的滞后校正203

8.4.3 基于根轨迹法的超前滞后校正206

8.5.1 基于频率法的超前校正210

8.5 控制系统校正的频率响应法210

8.5.2 基于频率法的滞后校正214

第9章 线性系统状态空间分析218

9.1 引言218

9.2 线性系统状态空间基础218

9.2.1 状态空间基本概念218

9.2.2 状态空间实现221

9.2.3 状态空间模型描述230

9.2.4 状态方程求解236

9.3 线性系统的状态可控性与状态可观性245

9.3.1 状态可控性245

9.3.2 状态可观性247

9.3.3 对偶系统和对偶原理248

9.3.4 可控标准型和可观标准型249

9.4 线性系统稳定性分析256

9.4.1 稳定性分析基础256

9.4.2 李雅普诺夫稳定性分析257

第10章 线性系统状态空间设计262

10.1 引言262

10.2 状态反馈与极点配置262

10.2.1 状态反馈262

10.2.2 输出反馈263

10.2.3 极点配置265

10.3 状态观测器271

10.3.1 状态观测器的基本概念272

10.3.2 全维状态观测器273

10.3.3 降维状态观测器281

第11章 非线性系统287

11.1 引言287

11.2 非线性系统概述287

11.2.1 非线性控制理论发展概况287

11.2.2 典型非线性特性288

11.3 相平面法290

11.3.1 相平面法基础知识291

11.3.2 相轨迹图绘制292

11.4 描述函数法300

11.4.1 描述函数基本概念300

11.4.2 描述函数定义300

11.4.3 常见非线性特性描述函数301

11.4.4 稳定性分析303

11.5 采用Simulink分析非线性系统304

第12章 离散控制系统307

12.1 引言307

12.2 离散控制系统基本概念307

12.2.1 离散控制系统概述307

12.2.2 离散信号的数学描述310

12.3 Z变换314

12.3.1 离散信号的Z变换314

12.3.2 Z变换、Z反变换常用方法及MATLAB实现316

12.4 离散控制系统数学模型323

12.4.1 离散系统时域数学模型323

12.4.2 离散系统频域数学模型325

12.5 离散控制系统分析333

12.5.1 离散控制系统的稳定性333

12.5.2 离散控制系统静态误差分析340

12.5.3 离散控制系统动态特性分析342

参考文献351