本書根據自動控制系統的特點和實踐需要，從MATLAB/Simulink基礎知識、控制系統數學模型、控制系統分析、控制系統工具箱、控制仿真實驗等幾個方面講述了運用MATLAB進行自動控制系統分析和設計的方法。
全書分為9章，包括：自動控制系統仿真概述、MATLAB語言基礎、Simulink仿真工具、自動控制系統數學模型、控制系統仿真分析、控制系統校正、控制系統工具箱、自動控制仿真實驗、自控系統仿真實驗室設計，其中自動控制仿真實驗為學生設置了17個課程實驗（每個實驗可以安排學生2學時上機完成）。
為了方便教學，本書還配有電子課件等教學資源包，任課教師和學生可以登錄“我們愛讀書”網（www.ibook4us.com）免費注冊并瀏覽，或者發郵件至hustpeiit@163.com免費索取。
本書可作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、測控技術、控制工程等相關專業學生的教學參考用書，也可作為相關領域的工程技術和研究人員的參考用書。
適讀人群 ：本書可作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、測控技術、控制工程等相關專業學生的教學參考用書，也可作為相關領域的工程技術和研究人員的參考用書。
本書以控制系統的分析和設計為對象，以MATLAB為工具，既介紹了控制系統的特點與分析方法，又介紹了MATLAB的應用問題。結合目前大學教育的現狀，本書在內容上采取了以下的幾種處理方法。
（1） 內容的安排緊扣自動控制原理課程的內容，因此，本書既可以獨立存在，也可以作為自動控制原理課程的輔助教材。
（2） 注重上機實踐，本書設置了大量的實驗內容和練習題。為適應上機教學需要，本書第8章設計了17個實驗項目。通過編程和上機練習，學生可以進一步理解控制系統的基本理論和計算機輔助工具的用法及作用。
（3） 理論內容盡量少而精，重點闡述如何利用MATLAB工具解決實際工程問題，從而適應有限學時的教學要求。
（4） 結合教學科研工作實踐，本書以教案為藍本編寫而成，書中所述的大部分內容和例子，是編者多年來從事教學與科研的成果。
控制系統仿真技術是近幾十年發展起來的，建立在控制理論、系統科學與辨識、計算機技術等學科上的綜合性很強的實驗科學技術，它為自動控制系統的分析、設計和綜合研究提供了先進的手段。同時，仿真實驗作為一種科學研究手段，具有不受設備和環境條件限制、不受時間和地點限制、投資小等優點而得到人們越來越多的重視。
在眾多仿真軟件中，適用于控制系統計算機輔助設計的軟件很多，MATLAB（矩陣實驗室）以其模塊化的計算方法，可視化與智能化的人機交互功能，豐富的矩陣運算、圖形繪制、數據處理函數以及模塊化圖形組態的動態系統仿真工具Simulink，成為控制系統設計和仿真領域最受歡迎的軟件系統，是目前高等院校與科研院所廣泛使用的優秀應用軟件。
本書以控制系統的分析和設計為對象，以MATLAB為工具，既介紹了控制系統的特點與分析方法，又介紹了MATLAB的應用問題。結合目前大學教育的現狀，本書在內容上采取了以下的幾種處理方法。
（1） 內容的安排緊扣自動控制原理課程的內容，因此，本書既可以獨立存在，也可以作為自動控制原理課程的輔助教材。
（2） 注重上機實踐，本書設置了大量的實驗內容和練習題。為適應上機教學需要，本書第8章設計了17個實驗項目。通過編程和上機練習，學生可以進一步理解控制系統的基本理論和計算機輔助工具的用法及作用。
（3） 理論內容盡量少而精，重點闡述如何利用MATLAB工具解決實際工程問題，從而適應有限學時的教學要求。
（4） 結合教學科研工作實踐，本書以教案為藍本編寫而成，書中所述的大部分內容和例子，是編者多年來從事教學與科研的成果。
本書由武昌理工學院唐穗欣擔任主編；由青島理工大學琴島學院王磊，武漢華夏理工學院蘇明霞、熊薇薇，武昌理工學院吳艷玲、鄒熙，武漢平煤武鋼聯合焦化有限責任公司王斌工程師擔任副主編。全書分為9章，唐穗欣編寫了第1章、第3章、第8章，王磊編寫了第4章，蘇明霞編寫了第5章，吳艷玲編寫了第2章，熊薇薇編寫了第6章和第7章，鄒熙編寫了第9章，王斌工程師對課后習題與答案進行了整理，完成教材的校對，全書由唐穗欣老師統稿。本書的編寫過程中，涉及工程設計實踐部分的第9章的內容吸取了武昌理工學院自動化專業11級學生林夢娟學士畢業設計論文的部分思路；作者的多位同事也給予了不同形式的幫助和支持。在此，作者一并表示衷心的感謝，本書的編寫還參考了大量相關文獻，在此向這些文獻的作者表示感謝！
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由于編者個人水平和經驗有限，書中錯誤與不當之處在所難免，懇請專家、讀者批評指正。
第1章控制系統仿真概述（）
1.1系統模型與仿真的概念（）
1.1.1系統模型 （）
1.1.2系統仿真（）
1.2控制系統仿真的類型及實現（）
1.2.1控制系統仿真分類（）
1.2.2控制系統仿真的實現（）
1.3系統仿真的應用與發展（）
1.3.1系統仿真的應用（）
1.3.2系統仿真的發展現狀（）
1.3.3系統仿真技術的發展趨勢（）
習題1（）
第2章MATLAB語言基礎（）
2.1MATLAB開發環境（）
2.1.1安裝與啟動（）
2.1.2組成與界面（）
2.1.3MATLAB的常用命令（）
2.1.4兩個簡單實例（）
2.2MATLAB數值計算（）
2.2.1數據類型（）
2.2.2矩陣運算（）
2.2.3數組運算（）
2.2.4常用的基本數學函數（）
2.2.5符號運算（）
2.3MATLAB繪圖（）
2.3.1圖形窗口與坐標系（）
2.3.2二維繪圖（）
2.3.3三維繪圖（）
2.3.4圖形輸出（）
2.4MATLAB程序設計（）
2.4.1M文件（）
2.4.2程序控制結構（）
習題2（）
第3章Simulink仿真（）
3.1Simulink應用環境（）
3.1.1Simulink簡介（）
3.1.2Simulink工具箱的運行（）
3.1.3常用模塊介紹（）
3.2Simulink功能模塊操作（）
3.2.1模塊基本操作（）
3.2.2模塊的連接（）
3.2.3模塊參數設定（）
3.3模型仿真設置（）
3.3.1概述（）
3.3.2設置解法器(Solver)選項卡參數（）
3.3.3設置數據輸入/輸出(Data Import/Export)選項卡參數（）
3.3.4仿真結果圖形輸出處理（）
3.4Simulink仿真簡明實例（）
3.4.1新模型創建（）
3.4.2模型模塊的添加（）
3.4.3模型模塊的移動（）
3.4.4模塊參數設置（）
3.4.5模型模塊的連接（）
3.4.6保存模型（）
3.4.7模型仿真（）
3.5子系統建模技術（）
3.5.1子系統的建模方法（）
3.5.2子系統的建模操作步驟（）
3.5.3子系統的建模實例（）
3.5.4Simulink子系統的封裝技術（）
習題3（）
第4章控制系統數學模型（）
4.1控制系統微分方程（）
4.1.1微分方程（）
4.1.2微分方程建立實例（）
4.2控制系統傳遞函數（）
4.2.1傳遞函數的基本概念（）
4.2.2傳遞函數的MATLAB描述形式（）
4.2.3典型環節數學模型（）
4.3狀態空間描述（）
4.3.1狀態空間函數模型簡述（）
4.3.2狀態空間函數的MATLAB相關函數（）
4.3.3建立狀態空間函數模型實例（）
4.4模型的轉換（）
4.4.1模型轉換關系（）
4.4.2模型轉換函數（）
4.4.3模型轉換實例（）
4.5模型的連接（）
4.5.1串聯方式（）
4.5.2并聯方式（）
4.5.3反饋連接（）
4.5.4模型連接綜合實例（）
習題4（）
第5章控制系統仿真分析（）
5.1自動控制系統概述（）
5.1.1自動控制系統的組成（）
5.1.2自動控制系統的控制方式（）
5.1.3控制系統的基本要求（）
5.2時域分析（）
5.2.1時域分析的一般方法（）
5.2.2穩定性分析（）
5.2.3常用時域分析函數（）
5.2.4應用實例（）
5.3根軌跡分析（）
5.3.1根軌跡分析的一般方法（）
5.3.2常用分析函數（）
5.3.3應用實例（）
5.4頻域分析法（）
5.4.1頻域分析的一般方法（）
5.4.2基于頻域分析法的系統性能分析（）
5.4.3常用分析函數（）
5.4.4頻域分析的實例（）
習題5（）
第6章控制系統校正（）
6.1控制系統設計指標（）
6.1.1控制系統的性能指標（）
6.1.2控制系統的時域性能指標（）
6.1.3控制系統的頻域性能指標（）
6.2控制系統校正方法（）
6.2.1串聯校正（）
6.2.2反饋校正（）
6.3基于根軌跡的校正（）
6.3.1根軌跡法串聯超前校正（）
6.3.2根軌跡法串聯滯后校正（）
6.3.3根軌跡法串聯滯后超前校正（）
6.4基于頻域分析法的系統校正（）
6.4.1基于頻域分析法的串聯超前校正（）
6.4.2基于頻域分析法的串聯滯后校正（）
6.4.3基于頻域分析法的串聯滯后超前校正（）
習題6（）
第7章控制系統工具箱（）
7.1線性時不變系統瀏覽器(LTI Viewer)（）
7.1.1LTI瀏覽器的啟動（）
7.1.2不同響應曲線繪制（）
7.1.3響應曲線繪制布局改變（）
7.1.4系統時域與頻域性能分析（）
7.1.5圖形界面的參數設置（）
7.1.6系統分析實例（）
7.2單輸入單輸出系統設計工具(SISO Design Tool)（）
7.2.1SISO設計器的啟動（）
7.2.2系統模型輸入（）
7.2.3系統模型設計與驗證（）
7.2.4設計實例（）
習題7（）
第8章自動控制仿真實驗（）
8.1實驗1MATLAB基本操作（）
8.2實驗2符號運算與矩陣運算（）
8.3實驗3MATLAB程序設計基礎（）
8.4實驗4Simulink仿真的環境與使用（）
8.5實驗5MATLAB模型建立與傳遞函數輸入（）
8.6實驗6MATLAB模型轉換與連接（）
8.7實驗7時域響應基本分析（）
8.8實驗8時域響應性能指標分析及LTI Viewer使用（）
8.9實驗9線性系統時域穩定性分析（）
8.10實驗10線性系統時域響應穩態誤差分析（）
8.11實驗11根軌跡基本分析（）
8.12實驗12根軌跡分析系統性能（）
8.13實驗13頻率響應基本分析 （）
8.14實驗14線性系統頻率響應性能分析（）
8.15實驗15基于Sisotool工具的系統校正（）
8.16實驗16綜合實驗（）
8.17實驗17自動控制原理仿真實驗室（）
第9章自控系統仿真實驗室設計（）
9.1圖形用戶界面(GUI)簡介（）
9.2仿真實驗設計介紹（）
9.2.1自動控制原理實驗方法（）
9.2.2仿真實驗總體結構設計（）
9.2.3仿真實驗的實現（）
9.3仿真實驗界面的建立（）
9.3.1引入通道的建立（）
9.3.2操作通道的建立（）
9.3.3實驗界面制作的總結（）
9.4實驗的實現（）
9.4.1二階系統模型建立（）
9.4.2二階系統階躍響應曲線（）
9.4.3課本實驗的演示（）
9.5實驗平臺設計總結（）
習題9（）
參考文獻（）
第3章
Simulink仿真
3.1Simulink應用環境
3.1.1Simulink簡介
Simulink是由美國MathWorks軟件公司在二十世紀九十年代開發的，為MATLAB提供的控制系統模型圖形輸入仿真工具，它是MATLAB的重要組成部分，是一個基于信號流圖的動態仿真系統，用于模擬系統的特性和響應，對動態系統進行仿真分析，可以根據使用和設計要求，對系統進行設計、修改和優化。Simulink可以用于線性和非線性系統的仿真，并能用于設計連續時間、離散時間或二者混合的系統，同時也支持多采樣頻率系統�？傊琒imulink具有相對獨立的功能和使用方法。
在一些實際工程應用中，若實際系統的結構過于復雜，導致常規的建模方法不適用，這時，就可以采用功能完善的Simulink工具箱來建立此類系統的數學模型。Simulink工具箱具有兩個重要功能：Simu(仿真)與Link(連接)，也就是可以利用鼠標在模型窗口上“畫”出所需的控制系統模型，然后利用Simulink提供的功能來對系統進行仿真或線性化分析。
Simulink同時提供了圖形化用戶界面(GUI)，可將系統分為從高級到低級的幾個層次，每層又可以細分為幾個部分，每層子系統構建完成后，將各層連接起來就可構成一個完整的系統。
在系統模型創建完成后，運行仿真，啟動系統內置的分析工具來分析系統的動態特性。仿真結果的保存有兩種：一種用示波器來顯示輸出波形，另一種是以變量形式保存輸出結果，并可以將輸出變量重新輸入到MATLAB中完成進一步的分析。
MATLAB提供的實現動態系統建模仿真的強大功能的Simulink軟件包，使用戶把精力從復雜的程序編寫轉向簡便的模型構建。
與MATLAB的其他各種工具箱相比較，Simulink具有特別的結構和使用方法。一般工具箱只是面向某一學科，根據學科知識與要求，采用MATLAB語言進行程序編寫，然后把程序包集中起來，而Simulink卻是從底層開發出來的，它是一個完整且相對獨立的仿真環境和圖形界面。
在MATLAB中，文本窗口用于編程（如M文件編輯器），圖形窗口只是用來顯示，而在Simulink的圖形窗口中，可以用事先定義好的模塊框圖的繪制來代替文本程序的編寫，這些模塊框圖的屬性可以進行設置。用戶只需使用鼠標，就可以非常簡單地完成系統模型的創建、調試和仿真甚至設計。
使用Simulink的三大步驟如下：
(1) 模型創建與定義：通過分析系統，對其進行建模；
(2) 模型的分析：在Simulink中對模型進行仿真，分析模型與系統的關系；
(3) 模型的修正：根據仿真結果對模型進行修正。
通過重復執行上述三大步驟就可以實現系統的最優化。
3.1.2Simulink工具箱的運行
1. Simulink的運行步驟
Simulink的運行步驟如圖31所示。
圖31Simulink的運行步驟
先打開Simulink，然后打開模型創建窗口，在模塊庫中選擇模塊輸入到模型創建窗口。
1) 打開Simulink的三種方式
(1) 在命令窗口中鍵入Simulink命令。
(2) 在命令窗口下點擊Simulink圖標。
(3) File→New→Model。
打開Simulink庫瀏覽器(SimulinkLibrary Browser)窗口后，先觀察simulink樹狀列表形式的模塊庫，它包含了simulink模塊庫中的各種模塊 。
2) 打開模型創建窗口
在工具欄中選擇建立新模型圖標(Create a new model)，彈出名為Untitled的空白窗口，如果要完成已有模型的調試、修改，可以選擇Open圖標打開存于硬盤中已建立的模型。
3) 選擇建模模塊
首先展開Simulink庫瀏覽器左側模塊庫樹狀列表，然后用鼠標單擊模塊項，所選模塊類的具體模塊就在庫瀏覽器的右側列表顯示出來。如果用戶知道建模模塊的名稱時，也可以在輸入欄中鍵入模塊名，點擊Find按鍵進行查找。
2. 打開一個模型
打開一個存在的模型其步驟如下。
(1) 在SimulinkLibrary Browser中選擇File→Open，出現了打開對話框。
(2) 選擇你想要的模型(.md1文件），然后點擊Open，在模型窗口中軟件打開了一個選擇的模型。
3.1.3常用模塊介紹
Simulink軟件提供16種標準的模塊庫，下面的表格描述了每種模塊庫的功能。表31所示為Simulink標準模塊庫。
表31Simulink標準模塊庫
序號
模塊庫(Block Library)
描述 (Description)
1
通用模塊
(Commonly Used Blocks)
包含最通常用的模塊，例如Constant， In1， Out1， Scope和Sum模塊。這個庫的模塊也包含在其他庫里。
2
連續系統模塊
(Continuous)
具有模擬線性功能的模塊，例如Derivative and Integrator模塊。
3
非連續模塊
(Discontinuities)
具有模擬非線性功能的模塊，例如Saturation模塊。
4
離散系統模塊
(Discrete)
能代表離散功能的模塊，例如Unit Delay模塊。
5
邏輯和位操作模塊
(Logic and Bit Operations)
包含了能執行邏輯和大型運算的模塊，例如Logical Operator and Relational Operator模塊。
6
查找表模塊
(LookUp Tables)
使用檢查表格來確定他們的輸出是否從輸入得來的模塊，例如Cosine and Sine模塊。
7
數學運算模塊
(Math Operations)
具有數學和邏輯功能的模塊，例如Gain， Product和 Sum模塊。
8
模型檢測模塊
(Model Verification)
能創建自我驗證模型的模塊，例如Check Input Resolution模塊。
9
模型擴充模塊
(ModelWide Utilities)
能提供模型信息的模塊，例如Model Info模塊。
10
端口和子系統模塊
(Ports & Subsystems)
能創建子系統的模塊，例如In1、Out1和Subsystem模塊。
11
信號屬性模塊
(Signal Attributes)
能修改信號屬性的模塊，例如Data Type Conversion模塊。
12
信號線路模塊
(Signal Routing)
能從模塊表的一點發送信號到另一點的模塊，例如Mux和Switch模塊。
13
輸出模塊
(Sinks)
能展示和輸出最后結果的模塊，例如Out1和Scope模塊。
14
信號源模塊
(Sources)
能產生或者是輸入系統輸入的模塊，例如Constant、In1和Sine Wave模塊。
15
用戶自定義函數模塊
(UserDefined Functions)
能定義習慣功能的模塊，例如Embedded MATLABTM Function模塊。
16
附加數學與離散模塊
(Additional Math & Discrete)
為數學和離散功能模塊添加的兩個庫。
在這16個標準模塊庫中，自動控制系統仿真時所用到的模塊主要有連續系統模塊、離散系統模塊、數學運算模塊、輸出模塊、信號源模塊和用戶自定義函數模塊等。
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