第4版前言
本書自2005年第1版出版以來，十余年一直受到讀者的歡迎與好評，而且已經被國內多所院校作為電子信息類課程的教材和教輔參考書，根據讀者的需求、控制系統的發展，以及 MATLAB/Simulink軟件版本的升級，我們再次進行了升級完善。
社會生產力的不斷發展和人們生活質量的不斷提高，必將對控制理論、技術、系統與應用提出越來越多、越來越高的要求，因此有必要進一步加強、加深對這方面的研究。作為控制理論與控制工程及其計算機仿真的強有力工具，MATLAB/Simulink得到了業界的一致認可，在控制系統仿真、分析與設計方面得到了廣泛應用，其自身也因此得到了迅速發展，功能不斷擴充。實踐已表明MATLAB/Simulink的確是一個功能強大、形象逼真、便于操作的仿真軟件工具。
為了更好地推動MATLAB/Simulink在控制系統仿真、分析與設計中的應用，在借鑒以往類似書籍與教材經驗并彌補其中不足的基礎上，我們結合日常的科研和教學工作編撰了此書。全書從實用角度出發，通過大量典型的樣例，對MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自動控制中的應用進行詳細論述。書中所述的大部分內容和例子，我們均已在本科生和研究生有關控制理論與控制工程的科研和教學實踐中做過試驗與驗證，是我們多年來教學與科研的結晶。
全書共13章，內容包括MATLAB/Simulink介紹、控制系統數學模型、時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法、控制系統校正與綜合、線性系統狀態空間分析與設計、非線性系統、離散控制系統等。各章通過精心設計的應用實例來幫助讀者理解并掌握自動控制原理，以及MATLAB/Simulink在控制系統仿真中的應用。全書內容深入淺出、圖文并茂，各章節之間既相互聯系又相對獨立，讀者可根據自己需要選擇閱讀。本書既可作為自動控制、電氣工程、機械電子、信息、計算機仿真、計算機應用等大專院校學生和研究生教學參考用書，也可供相關領域工程技術和研究人員參考。
對已故恩師汪仁先教授表示衷心的感謝。
在本書編寫過程中，孫一康教授、余達太教授、尹怡欣教授、安世奇教授、劉增良教授、彭開香教授給予了大力指導與支持，在此一并表示感謝。
由于時間倉促、作者水平和經驗有限，書中錯漏之處在所難免，敬請讀者指正。
編著者
2017年3月
目 錄
第1章 自動控制系統與仿真概述 1
1．1 引言 1
1．2 自動控制系統基本概念 1
1．2．1 開環控制系統與閉環控制系統 2
1．2．2 閉環控制系統組成結構 3
1．2．3 反饋控制系統品質要求 4
1．3 自動控制系統分類 4
1．3．1 線性系統和非線性系統 5
1．3．2 離散系統和連續系統 5
1．3．3 恒值系統和隨動系統 6
1．4 控制系統仿真基本概念 6
1．4．1 計算機仿真基本概念 7
1．4．2 控制系統仿真 8
1．4．3 控制系統計算機仿真基本過程 9
1．4．4 計算機仿真技術發展趨勢 9
1．5 MATLAB/Simulink下的控制系統仿真 10
1．5．1 MATLAB適合控制系統仿真的特點 10
1．5．2 Simulink適合控制系統仿真的特點 10
1．6 MATLAB中控制相關的工具箱 11
1．7 Python中控制系統相關的包 13
1．7．1 Python與MATLAB對比 14
1．7．2 Python的控制系統包 14
第2章 MATLAB計算基礎 15
2．1 引言 15
2．2 MATLAB概述 15
2．2．1 MATLAB發展歷程 15
2．2．2 MATLAB系統構成 16
2．2．3 MATLAB 常用工具箱 17
2．3 MATLAB桌面操作環境 17
2．3．1 MATLAB啟動和退出 17
2．3．2 MATLAB命令行窗口 18
2．3．3 MATLAB工作區 19
2．3．4 MATLAB文件管理 20
2．3．5 MATLAB幫助使用 20
2．4 MATLAB數值計算 21
2．4．1 MATLAB數值類型 21
2．4．2 矩陣運算 23
2．5 關系運算和邏輯運算 26
2．6 符號運算 27
2．6．1 符號運算基礎 27
2．6．2 控制系統中常用的符號運算 28
2．7 復數和復變函數運算 29
2．7．1 復數運算基礎 29
2．7．2 拉普拉斯變換及反變換 32
2．7．3 Z變換及其反變換 33
2．8 MATLAB常用繪圖命令 35
2．9 MATLAB程序設計 38
2．9．1 MATLAB程序類型 38
2．9．2 MATLAB程序流程控制 39
2．9．3 MATLAB程序基本設計原則 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的啟動與退出 43
3．2．2 Simulink建模仿真 44
3．3 Simulink的模塊庫簡介 46
3．3．1 Simulink模塊庫分類 46
3．3．2 控制系統仿真中常用的模塊 47
3．3．3 控制系統仿真中常用的Blockset 48
3．4 Simulink功能模塊的處理 49
3．4．1 Simulink模塊參數設置 49
3．4．2 Simulink模塊的基本操作 50
3．4．3 Simulink模塊間的連線處理 51
3．5 Simulink仿真設置 52
3．5．1 仿真器參數設置 52
3．5．2 工作空間數據導入/導出設置 55
3．6 Simulink仿真舉例 56
3．7 Simulink自定義功能模塊 65
3．7．1 自定義功能模塊的創建 65
3．7．2 自定義功能模塊的封裝 65
3．8 S函數設計與應用 67
3．8．1 S函數設計模板 67
3．8．2 S函數設計舉例 69
第4章 控制系統數學模型 73
4．1 引言 73
4．2 動態過程微分方程描述 73
4．3 拉氏變換與控制系統模型 76
4．4 數學模型描述 78
4．4．1 傳遞函數模型 78
4．4．2 零極點形式的數學模型 79
4．4．3 狀態空間模型 80
4．5 MATLAB/Simulink在模型中的應用 80
4．5．1 多項式處理相關的函數 80
4．5．2 建立傳遞函數相關的函數 81
4．5．3 建立零極點形式的數學模型相關函數 82
4．5．4 建立狀態空間模型相關的函數 82
4．5．5 Simulink中的控制系統模型表示 83
4．5．6 Simulink中模型與狀態空間模型的轉化 84
4．5．7 應用實例 84
4．6 系統模型轉換及連接 88
4．6．1 模型轉換 88
4．6．2 模型連接 90
4．6．3 模型連接的MATLAB實現 91
4．7 非線性數學模型的線性化 93
4．8 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 94
習題 98
第5章 時域分析法 100
5．1 引言 100
5．2 時域響應分析 100
5．2．1 典型輸入 100
5．2．2 線性系統時域響應一般求法 102
5．2．3 時域響應性能指標 103
5．2．4 一階和二階系統的時域響應 104
5．2．5 高階系統的時域分析 108
5．3 MATLAB/Simulink在時域分析中的應用 110
5．3．1 時域分析中MATLAB函數的應用 110
5．3．2 時域響應性能指標求取 114
5．3．3 二階系統參數對時域響應性能的影響 117
5．3．4 改善系統時域響應性能的一些措施 120
5．3．5 LTI Viewer應用 124
5．4 穩定性分析 128
5．4．1 穩定性基本概念 128
5．4．2 穩定性判據 129
5．4．3 穩態誤差分析 132
5．4．4 MATLAB在穩定性分析中的應用 136
5．5 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 137
習題 145
第6章 根軌跡分析法 147
6．1 引言 147
6．2 根軌跡定義 147
6．3 根軌跡法基礎 148
6．3．1 幅值條件和相角條件 148
6．3．2 繪制根軌跡的一般法則 150
6．3．3 與根軌跡分析相關的MATLAB函數 152
6．3．4 根軌跡分析與設計工具rltool 154
6．3．5 利用MATLAB繪制根軌跡圖舉例 156
6．4 其他形式的根軌跡 160
6．4．1 正反饋系統的根軌跡 160
6．4．2 參數根軌跡 160
6．4．3 時滯系統的根軌跡 161
6．4．4 利用MATLAB繪制其他形式的根軌跡舉例 162
6．5 用根軌跡法分析系統的暫態特性 164
6．6 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 167
習題 170
第7章 頻域分析法 173
7．1 引言 173
7．2 頻率特性基本概念 173
7．2．1 頻率特性定義 174
7．2．2 頻域分析法的特點 174
7．2．3 頻域性能指標 175
7．3 頻率特性的表示方法 176
7．3．1 極坐標圖（Nyquist圖） 176
7．3．2 對數坐標圖（Bode圖） 176
7．3．3 對數幅相圖（Nichols圖） 177
7．3．4 典型環節的頻率特性 177
7．4 系統開環頻率特性作圖 180
7．4．1 開環對數頻率特性作圖 180
7．4．2 開環極坐標作圖 181
7．5 頻率響應分析 181
7．5．1 開環頻率特性的性能分析 181
7．5．2 閉環頻率特性的性能分析 183
7．6 MATLAB在頻率法中的應用 187
7．6．1 求取和繪制頻率響應曲線相關的函數 187
7．6．2 應用實例 188
7．7 頻率法的穩定性分析 192
7．7．1 Nyquist穩定判據 192
7．7．2 穩定裕度 194
7．7．3 MATLAB在穩定性分析中的應用 196
7．8 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 199
習題 201
第8章 控制系統校正與綜合 203
8．1 引言 203
8．2 控制系統校正與綜合基礎 203
8．2．1 控制系統性能指標 203
8．2．2 控制系統校正概述 205
8．3 PID控制器設計及MATLAB/Simulink應用 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 積分（I）控制 210
8．3．5 比例積分（PI）控制 211
8．3．6 比例積分微分（PID）控制 212
8．3．7 PID控制器參數整定 212
8．4 控制系統校正的根軌跡法 223
8．4．1 基于根軌跡法的超前校正 223
8．4．2 基于根軌跡法的滯后校正 224
8．4．3 基于根軌跡法的超前滯后校正 224
8．4．4 MATLAB/Simulink在根軌跡法校正中的應用 225
8．5 控制系統校正的頻率響應法 232
8．5．1 基于頻率法的超前校正 232
8．5．2 基于頻率法的滯后校正 233
8．5．3 MATLAB/Simulink在頻率響應法校正中的應用 233
8．6 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 238
習題 243
第9章 線性系統狀態空間分析 245
9．1 引言 245
9．2 線性系統狀態空間基礎 245
9．2．1 狀態空間基本概念 245
9．2．2 狀態空間實現 247
9．2．3 狀態空間的標準型 255
9．2．4 狀態方程求解 258
9．2．5 MATLAB/Simulink在線性系統狀態空間描述中的應用 264
9．3 線性系統的狀態可控性與狀態可觀性 269
9．3．1 狀態可控性 270
9．3．2 狀態可觀性 271
9．3．3 對偶系統和對偶原理 272
9．3．4 可控標準型和可觀標準型 273
9．3．5 MATLAB/Simulink在可控和可觀標準型中的應用 276
9．4 線性系統穩定性分析 280
9．4．1 穩定性分析基礎 280
9．4．2 李雅普諾夫穩定性分析 281
9．4．3 MATLAB/Simulink在李雅普諾夫穩定性分析中的應用 284
9．5 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 285
習題 288
第10章 線性系統狀態空間設計 291
10．1 引言 291
10．2 狀態反饋與極點配置 291
10．2．1 狀態反饋 292
10．2．2 輸出反饋 293
10．2．3 極點配置 294
10．2．4 MATLAB/Simulink在極點配置中的應用 296
10．3 狀態觀測器 300
10．3．1 狀態觀測器的基本概念 301
10．3．2 全維狀態觀測器 302
10．3．3 降維狀態觀測器 307
10．3．4 MATLAB/Simulink在狀態觀測器設計中的應用 310
10．4 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 311
習題 316
第11章 非線性系統 319
11．1 引言 319
11．2 非線性系統概述 319
11．2．1 非線性控制理論發展概況 319
11．2．2 典型非線性特性 320
11．2．3 Simulink中的非線性模塊 322
11．3 相平面法 324
11．3．1 相平面法基礎知識 325
11．3．2 MATLAB/Simulink在相軌跡圖繪制中的應用 326
11．4 描述函數法 333
11．4．1 描述函數基本概念 333
11．4．2 描述函數定義 333
11．4．3 描述函數的計算 335
11．4．4 非線性系統的穩定性分析 336
11．5 MATLAB/Simulink在非線性系統分析中的應用 337
11．6 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 340
習題 345
第12章 離散控制系統 346
12．1 引言 346
12．2 離散控制系統基本概念 346
12．2．1 離散控制系統概述 346
12．2．2 離散信號的數學描述 348
12．3 離散控制系統的研究方法 351
12．3．1 線性連續與離散控制系統研究方法類比 352
12．3．2 MATLAB中的離散控制系統相關的函數 352
12．4 Z變換 353
12．4．1 離散信號的Z變換 353
12．4．2 Z變換與Z反變換常用方法 355
12．5 離散控制系統數學模型 358
12．5．1 離散系統時域數學模型 358
12．5．2 離散系統頻域數學模型 360
12．6 離散控制系統性能分析 366
12．6．1 穩定性分析 366
12．6．2 靜態誤差分析 367
12．6．3 動態特性分析 369
12．6．4 MATLAB/Simulink在離散系統性能分析中的應用 371
12．7 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 383
習題 388
第13章 最優控制系統 390
13．1 引言 390
13．2 最優控制問題的描述 390
13．3 線性二次型最優控制問題 391
13．4 MATLAB/Simulink在線性二次型最優控制中的應用 392
13．5 綜合實例及MATLAB/Simulink應用 393
習題 397
參考文獻 399
新書資訊