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MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真
本書(shū)從應(yīng)用角度出發(fā),全面系統(tǒng)地介紹了MATLAB/Simulink及其在自動(dòng)控制中的應(yīng)用,結(jié)合MATLAB/Simulink的操作使用,通過(guò)大量的典型實(shí)例,全面闡述了自動(dòng)控制的基本原理,以及控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的主要方法。全書(shū)共分13章,包括自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真概述、MATLAB計(jì)算基礎(chǔ)、Simulink仿真、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法、控制系統(tǒng)校正與綜合、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間設(shè)計(jì)、非線性系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)、最優(yōu)控制系統(tǒng)等。各章通過(guò)精心設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例、綜合實(shí)例和習(xí)題幫助讀者理解并掌握自動(dòng)控制原理,以及MATLAB/Simulink相關(guān)功能、工具的使用。
第4版前言
本書(shū)自2005年第1版出版以來(lái),十余年一直受到讀者的歡迎與好評(píng),而且已經(jīng)被國(guó)內(nèi)多所院校作為電子信息類(lèi)課程的教材和教輔參考書(shū),根據(jù)讀者的需求、控制系統(tǒng)的發(fā)展,以及 MATLAB/Simulink軟件版本的升級(jí),我們?cè)俅芜M(jìn)行了升級(jí)完善。
社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高,必將對(duì)控制理論、技術(shù)、系統(tǒng)與應(yīng)用提出越來(lái)越多、越來(lái)越高的要求,因此有必要進(jìn)一步加強(qiáng)、加深對(duì)這方面的研究。作為控制理論與控制工程及其計(jì)算機(jī)仿真的強(qiáng)有力工具,MATLAB/Simulink得到了業(yè)界的一致認(rèn)可,在控制系統(tǒng)仿真、分析與設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用,其自身也因此得到了迅速發(fā)展,功能不斷擴(kuò)充。實(shí)踐已表明MATLAB/Simulink的確是一個(gè)功能強(qiáng)大、形象逼真、便于操作的仿真軟件工具。
為了更好地推動(dòng)MATLAB/Simulink在控制系統(tǒng)仿真、分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,在借鑒以往類(lèi)似書(shū)籍與教材經(jīng)驗(yàn)并彌補(bǔ)其中不足的基礎(chǔ)上,我們結(jié)合日常的科研和教學(xué)工作編撰了此書(shū)。全書(shū)從實(shí)用角度出發(fā),通過(guò)大量典型的樣例,對(duì)MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)論述。書(shū)中所述的大部分內(nèi)容和例子,我們均已在本科生和研究生有關(guān)控制理論與控制工程的科研和教學(xué)實(shí)踐中做過(guò)試驗(yàn)與驗(yàn)證,是我們多年來(lái)教學(xué)與科研的結(jié)晶。
全書(shū)共13章,內(nèi)容包括MATLAB/Simulink介紹、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法、控制系統(tǒng)校正與綜合、線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)、非線性系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)等。各章通過(guò)精心設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例來(lái)幫助讀者理解并掌握自動(dòng)控制原理,以及MATLAB/Simulink在控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。全書(shū)內(nèi)容深入淺出、圖文并茂,各章節(jié)之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立,讀者可根據(jù)自己需要選擇閱讀。本書(shū)既可作為自動(dòng)控制、電氣工程、機(jī)械電子、信息、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等大專(zhuān)院校學(xué)生和研究生教學(xué)參考用書(shū),也可供相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)和研究人員參考。
對(duì)已故恩師汪仁先教授表示衷心的感謝。
在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中,孫一康教授、余達(dá)太教授、尹怡欣教授、安世奇教授、劉增良教授、彭開(kāi)香教授給予了大力指導(dǎo)與支持,在此一并表示感謝。
由于時(shí)間倉(cāng)促、作者水平和經(jīng)驗(yàn)有限,書(shū)中錯(cuò)漏之處在所難免,敬請(qǐng)讀者指正。
編著者
2017年3月
王正林,男,高級(jí)工程師,畢業(yè)于北京科技大學(xué),2007年獲自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位,長(zhǎng)期從事MATLAB應(yīng)用的科研工作,具有豐富的科研實(shí)踐。
目 錄
第1章 自動(dòng)控制系統(tǒng)與仿真概述 1
1.1 引言 1
1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本概念 1
1.2.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng) 2
1.2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 3
1.2.3 反饋控制系統(tǒng)品質(zhì)要求 4
1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)分類(lèi) 4
1.3.1 線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 5
1.3.2 離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng) 5
1.3.3 恒值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng) 6
1.4 控制系統(tǒng)仿真基本概念 6
1.4.1 計(jì)算機(jī)仿真基本概念 7
1.4.2 控制系統(tǒng)仿真 8
1.4.3 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真基本過(guò)程 9
1.4.4 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 9
1.5 MATLAB/Simulink下的控制系統(tǒng)仿真 10
1.5.1 MATLAB適合控制系統(tǒng)仿真的特點(diǎn) 10
1.5.2 Simulink適合控制系統(tǒng)仿真的特點(diǎn) 10
1.6 MATLAB中控制相關(guān)的工具箱 11
1.7 Python中控制系統(tǒng)相關(guān)的包 13
1.7.1 Python與MATLAB對(duì)比 14
1.7.2 Python的控制系統(tǒng)包 14
第2章 MATLAB計(jì)算基礎(chǔ) 15
2.1 引言 15
2.2 MATLAB概述 15
2.2.1 MATLAB發(fā)展歷程 15
2.2.2 MATLAB系統(tǒng)構(gòu)成 16
2.2.3 MATLAB 常用工具箱 17
2.3 MATLAB桌面操作環(huán)境 17
2.3.1 MATLAB啟動(dòng)和退出 17
2.3.2 MATLAB命令行窗口 18
2.3.3 MATLAB工作區(qū) 19
2.3.4 MATLAB文件管理 20
2.3.5 MATLAB幫助使用 20
2.4 MATLAB數(shù)值計(jì)算 21
2.4.1 MATLAB數(shù)值類(lèi)型 21
2.4.2 矩陣運(yùn)算 23
2.5 關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 26
2.6 符號(hào)運(yùn)算 27
2.6.1 符號(hào)運(yùn)算基礎(chǔ) 27
2.6.2 控制系統(tǒng)中常用的符號(hào)運(yùn)算 28
2.7 復(fù)數(shù)和復(fù)變函數(shù)運(yùn)算 29
2.7.1 復(fù)數(shù)運(yùn)算基礎(chǔ) 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(shè)計(jì) 38
2.9.1 MATLAB程序類(lèi)型 38
2.9.2 MATLAB程序流程控制 39
2.9.3 MATLAB程序基本設(shè)計(jì)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(dòng)與退出 43
3.2.2 Simulink建模仿真 44
3.3 Simulink的模塊庫(kù)簡(jiǎn)介 46
3.3.1 Simulink模塊庫(kù)分類(lèi) 46
3.3.2 控制系統(tǒng)仿真中常用的模塊 47
3.3.3 控制系統(tǒng)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(shù)設(shè)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(shè)置 52
3.5.1 仿真器參數(shù)設(shè)置 52
3.5.2 工作空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出設(shè)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(chuàng)建 65
3.7.2 自定義功能模塊的封裝 65
3.8 S函數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 67
3.8.1 S函數(shù)設(shè)計(jì)模板 67
3.8.2 S函數(shù)設(shè)計(jì)舉例 69
第4章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 73
4.1 引言 73
4.2 動(dòng)態(tài)過(guò)程微分方程描述 73
4.3 拉氏變換與控制系統(tǒng)模型 76
4.4 數(shù)學(xué)模型描述 78
4.4.1 傳遞函數(shù)模型 78
4.4.2 零極點(diǎn)形式的數(shù)學(xué)模型 79
4.4.3 狀態(tài)空間模型 80
4.5 MATLAB/Simulink在模型中的應(yīng)用 80
4.5.1 多項(xiàng)式處理相關(guān)的函數(shù) 80
4.5.2 建立傳遞函數(shù)相關(guān)的函數(shù) 81
4.5.3 建立零極點(diǎn)形式的數(shù)學(xué)模型相關(guān)函數(shù) 82
4.5.4 建立狀態(tài)空間模型相關(guān)的函數(shù) 82
4.5.5 Simulink中的控制系統(tǒng)模型表示 83
4.5.6 Simulink中模型與狀態(tài)空間模型的轉(zhuǎn)化 84
4.5.7 應(yīng)用實(shí)例 84
4.6 系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換及連接 88
4.6.1 模型轉(zhuǎn)換 88
4.6.2 模型連接 90
4.6.3 模型連接的MATLAB實(shí)現(xiàn) 91
4.7 非線性數(shù)學(xué)模型的線性化 93
4.8 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 94
習(xí)題 98
第5章 時(shí)域分析法 100
5.1 引言 100
5.2 時(shí)域響應(yīng)分析 100
5.2.1 典型輸入 100
5.2.2 線性系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)一般求法 102
5.2.3 時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo) 103
5.2.4 一階和二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 104
5.2.5 高階系統(tǒng)的時(shí)域分析 108
5.3 MATLAB/Simulink在時(shí)域分析中的應(yīng)用 110
5.3.1 時(shí)域分析中MATLAB函數(shù)的應(yīng)用 110
5.3.2 時(shí)域響應(yīng)性能指標(biāo)求取 114
5.3.3 二階系統(tǒng)參數(shù)對(duì)時(shí)域響應(yīng)性能的影響 117
5.3.4 改善系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)性能的一些措施 120
5.3.5 LTI Viewer應(yīng)用 124
5.4 穩(wěn)定性分析 128
5.4.1 穩(wěn)定性基本概念 128
5.4.2 穩(wěn)定性判據(jù) 129
5.4.3 穩(wěn)態(tài)誤差分析 132
5.4.4 MATLAB在穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用 136
5.5 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 137
習(xí)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(chǔ) 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(guān)的MATLAB函數(shù) 152
6.3.4 根軌跡分析與設(shè)計(jì)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(tǒng)的根軌跡 160
6.4.2 參數(shù)根軌跡 160
6.4.3 時(shí)滯系統(tǒng)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(tǒng)的暫態(tài)特性 164
6.6 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 167
習(xí)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(diǎn) 174
7.2.3 頻域性能指標(biāo) 175
7.3 頻率特性的表示方法 176
7.3.1 極坐標(biāo)圖(Nyquist圖) 176
7.3.2 對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖(Bode圖) 176
7.3.3 對(duì)數(shù)幅相圖(Nichols圖) 177
7.3.4 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 177
7.4 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)頻率特性作圖 180
7.4.1 開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性作圖 180
7.4.2 開(kāi)環(huán)極坐標(biāo)作圖 181
7.5 頻率響應(yīng)分析 181
7.5.1 開(kāi)環(huán)頻率特性的性能分析 181
7.5.2 閉環(huán)頻率特性的性能分析 183
7.6 MATLAB在頻率法中的應(yīng)用 187
7.6.1 求取和繪制頻率響應(yīng)曲線相關(guān)的函數(shù) 187
7.6.2 應(yīng)用實(shí)例 188
7.7 頻率法的穩(wěn)定性分析 192
7.7.1 Nyquist穩(wěn)定判據(jù) 192
7.7.2 穩(wěn)定裕度 194
7.7.3 MATLAB在穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用 196
7.8 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 199
習(xí)題 201
第8章 控制系統(tǒng)校正與綜合 203
8.1 引言 203
8.2 控制系統(tǒng)校正與綜合基礎(chǔ) 203
8.2.1 控制系統(tǒng)性能指標(biāo) 203
8.2.2 控制系統(tǒng)校正概述 205
8.3 PID控制器設(shè)計(jì)及MATLAB/Simulink應(yīng)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(shù)整定 212
8.4 控制系統(tǒng)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(yīng)用 225
8.5 控制系統(tǒng)校正的頻率響應(yīng)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(yīng)法校正中的應(yīng)用 233
8.6 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 238
習(xí)題 243
第9章 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析 245
9.1 引言 245
9.2 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間基礎(chǔ) 245
9.2.1 狀態(tài)空間基本概念 245
9.2.2 狀態(tài)空間實(shí)現(xiàn) 247
9.2.3 狀態(tài)空間的標(biāo)準(zhǔn)型 255
9.2.4 狀態(tài)方程求解 258
9.2.5 MATLAB/Simulink在線性系統(tǒng)狀態(tài)空間描述中的應(yīng)用 264
9.3 線性系統(tǒng)的狀態(tài)可控性與狀態(tài)可觀性 269
9.3.1 狀態(tài)可控性 270
9.3.2 狀態(tài)可觀性 271
9.3.3 對(duì)偶系統(tǒng)和對(duì)偶原理 272
9.3.4 可控標(biāo)準(zhǔn)型和可觀標(biāo)準(zhǔn)型 273
9.3.5 MATLAB/Simulink在可控和可觀標(biāo)準(zhǔn)型中的應(yīng)用 276
9.4 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 280
9.4.1 穩(wěn)定性分析基礎(chǔ) 280
9.4.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析 281
9.4.3 MATLAB/Simulink在李雅普諾夫穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用 284
9.5 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 285
習(xí)題 288
第10章 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間設(shè)計(jì) 291
10.1 引言 291
10.2 狀態(tài)反饋與極點(diǎn)配置 291
10.2.1 狀態(tài)反饋 292
10.2.2 輸出反饋 293
10.2.3 極點(diǎn)配置 294
10.2.4 MATLAB/Simulink在極點(diǎn)配置中的應(yīng)用 296
10.3 狀態(tài)觀測(cè)器 300
10.3.1 狀態(tài)觀測(cè)器的基本概念 301
10.3.2 全維狀態(tài)觀測(cè)器 302
10.3.3 降維狀態(tài)觀測(cè)器 307
10.3.4 MATLAB/Simulink在狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 310
10.4 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 311
習(xí)題 316
第11章 非線性系統(tǒng) 319
11.1 引言 319
11.2 非線性系統(tǒng)概述 319
11.2.1 非線性控制理論發(fā)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(chǔ)知識(shí) 325
11.3.2 MATLAB/Simulink在相軌跡圖繪制中的應(yīng)用 326
11.4 描述函數(shù)法 333
11.4.1 描述函數(shù)基本概念 333
11.4.2 描述函數(shù)定義 333
11.4.3 描述函數(shù)的計(jì)算 335
11.4.4 非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 336
11.5 MATLAB/Simulink在非線性系統(tǒng)分析中的應(yīng)用 337
11.6 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 340
習(xí)題 345
第12章 離散控制系統(tǒng) 346
12.1 引言 346
12.2 離散控制系統(tǒng)基本概念 346
12.2.1 離散控制系統(tǒng)概述 346
12.2.2 離散信號(hào)的數(shù)學(xué)描述 348
12.3 離散控制系統(tǒng)的研究方法 351
12.3.1 線性連續(xù)與離散控制系統(tǒng)研究方法類(lèi)比 352
12.3.2 MATLAB中的離散控制系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù) 352
12.4 Z變換 353
12.4.1 離散信號(hào)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(tǒng)數(shù)學(xué)模型 358
12.5.1 離散系統(tǒng)時(shí)域數(shù)學(xué)模型 358
12.5.2 離散系統(tǒng)頻域數(shù)學(xué)模型 360
12.6 離散控制系統(tǒng)性能分析 366
12.6.1 穩(wěn)定性分析 366
12.6.2 靜態(tài)誤差分析 367
12.6.3 動(dòng)態(tài)特性分析 369
12.6.4 MATLAB/Simulink在離散系統(tǒng)性能分析中的應(yīng)用 371
12.7 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 383
習(xí)題 388
第13章 最優(yōu)控制系統(tǒng) 390
13.1 引言 390
13.2 最優(yōu)控制問(wèn)題的描述 390
13.3 線性二次型最優(yōu)控制問(wèn)題 391
13.4 MATLAB/Simulink在線性二次型最優(yōu)控制中的應(yīng)用 392
13.5 綜合實(shí)例及MATLAB/Simulink應(yīng)用 393
習(xí)題 397
參考文獻(xiàn) 399
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