控制系统仿真与CAD（第2版）

目　录

前　言

第1 章　 控制系统仿真及工具软件概述 1

1. 1　 控制系统及仿真软件 1

1. 1. 1　 控制系统模型 1

1. 1. 2　 控制系统仿真 2

1. 1. 3　 MATLAB 的语言特点 3

1. 1. 4　 MATLAB 的控制产品 4

1. 2　 MATLAB 的操作与使用 5

1. 2. 1　 MATLAB 的工作空间 6

1. 2. 2　 MATLAB 的命令窗口 6

1. 2. 3　 MATLAB 的程序编辑器 6

1. 2. 4　 MATLAB 的帮助文件 7

1. 3　 数值计算与矩阵运算 10

1. 3. 1　 MATLAB 的数值类型 10

1. 3. 2　 矩阵运算 12

1. 3. 3　 符号运算 15

1. 4　 程序、 文件和函数 23

1. 4. 1　 M 文件编程 23

1. 4. 2　 常用的编程语句 26

1. 4. 3　 程序调试与诊断 30

本章小结 33

习题 33

第2 章　 控制系统的数学描述 34

2. 1　控制系统数学模型与控制工具箱

函数 34

2. 1. 1　 传递函数模型 34

2. 1. 2　 状态空间模型 42

2. 2　 控制系统模型的转换及连接 47

2. 2. 1　 模型转换函数 47

2. 2. 2　 模型连接与化简 51

2. 3　 控制系统建模工程实例 55

本章小结 62

习题 62

第3 章　 控制系统分析 63

3. 1　 控制系统的时域分析 63

3. 1. 1　 时域分析基础 63

3. 1. 2　 系统的稳态性能分析 64

3. 1. 3　 阶跃响应分析 65

3. 1. 4　 脉冲响应分析 70

3. 1. 5　 任意输入的时域响应分析 73

3. 1. 6　 控制系统时域分析综合实例 74

3. 2　 控制系统的根轨迹分析 75

3. 2. 1　 函数指令方式 75

3. 2. 2　 单输入单输出设计工具 82

3. 3　 控制系统的频域分析 91

3. 3. 1　 频率响应与 Nyquist 图 92

3. 3. 2　 伯德图分析 95

3. 3. 3　 控制系统频域分析综合实例 99

3. 3. 4　基于单输入单输出设计工具的控制

系统频域分析 101

3. 4　 控制系统的稳定性分析 102

3. 4. 1　 控制系统稳定性分析方法简述 102

3. 4. 2　控制系统稳定性分析的MATLAB

实现 104

3. 5　 控制系统的可观性与可控性分析 106

3. 5. 1　 系统的可观性分析 107

3. 5. 2　 系统的可控性分析 109

本章小结 112

习题 112

第4 章　 控制系统设计与仿真 113

4. 1　 基于根轨迹的控制系统设计 113

4. 1. 1　 基于根轨迹的相位超前校正 113

4. 1. 2　 基于根轨迹的相位滞后校正 123

4. 2　 基于伯德图的控制系统设计 126

4. 2. 1　 基于伯德图的相位超前校正 126

4. 2. 2　 基于伯德图的相位滞后校正 130

4. 2. 3　 基于伯德图的滞后￣超前校正 133

4. 3　 控制系统的 PID 控制器设计 136

4. 3. 1　 PID 控制规律 137

4. 3. 2　 PID 控制器设计方法 140

4. 3. 3　 PID 控制器设计实例 146

4. 4　 极点配置与观测器设计 150

目　录Ⅶ

4. 4. 1　 极点配置 150

4. 4. 2　 全维状态观测器设计 153

4. 4. 3　 降维状态观测器设计 155

4. 4. 4　基于观测器的状态反馈系统

设计综合实例 157

本章小结 159

习题 159

第5 章　控制系统CAD ——— Simulink

基础与应用 161

5. 1　 Simulink 基本介绍与基本操作 161

5. 1. 1　 Simulink 的基本介绍 161

5. 1. 2　 Simulink 的启动 161

5. 1. 3　 Simulink Library 163

5. 2　 Simulink 的建模方法与仿真 168

5. 2. 1　 仿真模型编译器 168

5. 2. 2　 仿真系统的编辑 169

5. 2. 3　 Simulink 仿真参数的设定 172

5. 2. 4　Simulink 与MATLAB 的接口

设计 174

5. 3　 Simulink 子系统的创建与封装 176

5. 3. 1　 Simulink 子系统的创建 176

5. 3. 2　 Simulink 子系统的封装 178

5. 4　 采用 MATLAB 命令进行仿真与分析 181

5. 4. 1　 仿真系统的打开和关闭 181

5. 4. 2　 功能模块参数设置 182

5. 4. 3　 系统模型的仿真运行 183

5. 4. 4　 仿真系统参数设置 183

5. 4. 5　 运行结果分析 185

5. 5　 S 函数 187

5. 5. 1　 S 函数简介 188

5. 5. 2　 用 M 文件创建 S 函数 190

5. 6 　基于Simulink 的系统分析与设计

实例 195

5. 6. 1　 连续系统的时域分析实例 195

5. 6. 2　 连续系统的稳定性分析实例 197

5. 6. 3　 连续系统的稳态误差分析实例 199

5. 6. 4　 线性连续系统的设计实例 203

本章小结 208

习题 208

参考文献 2092100433B

以MATLAB为仿真平台，以自动控制系统为主线，系统地介绍了控制系统的建模、分析与设计的基本原理和仿真方法。本书共分五章，分别介绍了MATLAB基础知识、控制系统在MATLAB中的描述、控制系统各种分析方法及MATLAB实现、以MATLAB为工具的控制系统设计与仿真、Simulink及其应用。

第3版前言

第一章概述1

第一节控制系统的实验方法1

一、解析法1

二、实验法1

三、仿真实验法2

第二节仿真实验的分类与性能比较2

一、按模型分类3

二、按计算机类型分类4

第三节系统、模型与数字仿真6

一、系统的组成与分类6

二、模型的建立及其重要性7

三、数字仿真的基本内容8

第四节控制系统CAD与数字仿真软件9

一、CAD技术的一般概念9

二、控制系统CAD的主要内容10

三、数字仿真软件10

第五节仿真技术的应用与发展16

一、仿真技术在工程中的应用16

二、应用仿真技术的重要意义17

三、仿真技术的发展趋势18

第六节问题与探究——虚拟现实与仿真

技术18

一、虚拟现实技术18

二、虚拟现实仿真技术22

三、基于虚拟样机的球棒控制系统仿真25

小结27

习题27

第二章控制系统的数学描述30

第一节控制系统的数学模型30

一、控制系统数学模型的表示形式30

二、数学模型的转换32

三、线性时不变系统的对象数据类型描述34

四、控制系统建模的基本方法35

第二节控制系统建模实例39

一、独轮自行车实物仿真问题39

二、龙门起重机运动控制问题42

三、水箱液位控制问题46

四、燃煤热水锅炉控制问题49

五、三相电压型PWM整流器系统控制

问题51

六、磁悬浮轴承运动控制问题56

第三节实现问题61

一、单变量系统的可控标准型实现61

二、控制系统的数字仿真实现63

第四节常微分方程数值解法63

一、数值求解的基本概念64

二、数值积分法65

三、关于数值积分法的几点讨论69

第五节数值算法中的“病态”问题72

一、“病态”常微分方程72

二、控制系统仿真中的“病态”问题74

三、“病态”系统的仿真方法75

第六节数字仿真中的“代数环”问题76

一、问题的提出76

二、“代数环”产生的条件77

三、消除“代数环”的方法78

第七节问题与探究——电力电子器件

建模问题81

一、问题提出81

二、建模机理81

三、问题探究84

小结85

习题86

第三章控制系统数字仿真的实现88

第一节控制系统的结构及其拓扑描述88

一、控制系统常见的典型结构形式88

二、控制系统的典型环节描述89

三、控制系统的连接矩阵90

第二节面向系统结构图的数字仿真92

一、典型闭环系统的数字仿真92

二、复杂连接的闭环系统数字仿真97

第三节环节的离散化与非线性系统的

数字仿真103

一、连续系统的离散化模型法103

二、非线性系统的数字仿真112

第四节计算机控制系统的数字仿真119

一、采样控制系统的数学描述120

二、采样控制系统的仿真方法123

三、采样控制系统仿真程序实现126

第五节问题与探究——一类非线性控制

系统数字仿真的效率问题132

一、问题提出132

二、问题分析133

三、几点讨论139

小结139

习题140

第四章控制系统CAD142

第一节概述142

第二节经典控制理论CAD143

一、控制系统固有特性分析143

二、控制系统的设计方法146

三、控制系统的优化设计154

第三节基于双闭环PID控制的一阶倒立

摆控制系统设计159

一、系统模型159

二、模型验证161

三、双闭环PID控制器设计165

四、仿真实验170

五、结论173

第四节现代控制理论CAD173

一、线性二次型最优控制器设计174

二、模型参考自适应控制系统设计182

第五节基于时间最优控制的起重机防

摆控制技术研究188

一、问题的提出188

二、时间最优控制189

三、系统建模190

四、模型验证190

五、时间最优控制策略192

六、仿真实验194

七、结论196

第六节问题与探究——“球车系统”的

建模与控制问题197

一、问题提出197

二、系统建模197

三、问题探究198

小结198

习题199

第五章数字仿真技术的综合应用202

第一节直流电动机双闭环调速系统设计

中的若干问题202

一、双闭环VM调速系统的目的202

二、关于积分调节器的饱和非线性问题203

三、关于ASR与ACR的工程设计问题203

四、双闭环VM调速系统的动态分析205

第二节数字PID调节器的鲁棒性设计

方法207

一、数字PID调节器的鲁棒性设计207

二、“高精度齿轮量仪”位置伺服系统

控制器设计209

第三节“水箱系统”液位控制的仿真

研究211

一、系统建模211

二、数字仿真211

三、结果分析211

第四节一阶倒立摆系统的双闭环模糊

控制方案212

一、引言212

二、模糊理论中的几个基本概念213

三、一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制214

四、仿真实验216

五、结论223

第五节基于单位功率因数的PWM整流

器控制系统设计223

一、引言223

二、滑模变结构控制224

三、系统建模与模型验证225

四、基于滑模变结构控制的PWM整流

器控制系统设计226

五、仿真实验230

六、结论234

第六节问题与探究——两轮电动车自平

衡控制问题234

一、问题提出234

二、系统建模236

三、问题探究237

小结238

习题238

参考文献2412100433B

《控制系统仿真与CAD》以MATLAB 7"_blank" href="/item/自动控制系统/1801668" data-lemmaid="1801668">自动控制系统分析与设计为主线，系统地介绍了控制系统的建模、分析、设计的基本原理和仿真方法。《控制系统仿真与CAD》共分5章，分别为控制系统仿真及工具软件概述、控制系统的数学描述、控制系统分析、控制系统设计与仿真和控制系统CAD——Simulink基础。

《控制系统仿真与CAD》结构清晰，语言简练，图文并茂，并用大量的例题来配合所述内容，由浅入深，生动易学，具有很强的实用性和可操作性，可作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、电子工程、通信等本科专业“控制系统仿真”课程的教材，也可作为工程技术人员的参考用书。

在概述了仿真技术发展进程的基础上，以MATLAB语言为平台，系统地阐述了数字仿真技术的基本概念、原理与方法，概括了控制系统分析与设计中的基本内容，主要包括控制系统的实验方法、系统的数学描述与模型的建立、数字仿真的实现方法、控制系统CAD及其综合应用等。