MATLAB/Simulink与控制系统仿真.pdf

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《MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第3版)》前两版已经被国内二十余所高校选为教材或教辅参考书,《MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第3版)》系统介绍MATLAB/Simulink及其在自动控制中的应用,内容涵盖:自动控制系统与仿真概述、MATLAB计算基础、Simulink仿真、控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控制系统校正与综合、线性系统状态空间分析、线性系统状态空间设计、非线性系统、离散控制系统、最优控制系统,综合实例及MATLAB/Simulink应用,高校控制类基础课程的数学推导多,内容抽象,难于直接理解,为此《MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第3版)》精心设计了一些典型题目,以实例的形式详细分析、讲解MATLAB/Simulink的应用,丰富的习题和附录,精选多个课后习题,有助于熟练MATLAB/Simulink的使用,提高编程技巧,加深对控制系统仿真的理解,力求将那些实际中可能会用到的函数命令和模块通过附录的形式列出来,方便读者查询和使用,提高了《MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第3版)》的工具性和查询参考价值,配有教学课件,方便教学使用。

目录
第1章 自动控制系统与仿真概述 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
1.2.2 闭环控制系统组成结构 2
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 4
1.3.2 离散系统和连续系统 5
1.3.3 恒值系统和随动系统 5
1.4 控制系统仿真基本概念 5
1.4.1 计算机仿真基本概念 6
1.4.2 控制系统仿真 7
1.4.3 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 8
1.5 MATLAB/Simulink下的控制系统仿真 9
1.5.1 MATLAB适合控制系统仿真的特点 9
1.5.2 Simulink适合控制系统仿真的特点 10
1.6 MATLAB中控制相关的工具箱 10

第2章 MATLAB计算基础 13
2.1 引言 13
2.2 MATLAB概述 13
2.2.1 MATLAB发展历程 13
2.2.2 MATLAB系统构成 14
2.2.3 MATLAB 常用工具箱 14
2.3 MATLAB桌面操作环境 15
2.3.1 MATLAB启动和退出 15
2.3.2 MATLAB主菜单及功能 16
2.3.3 MATLAB命令窗口 19
2.3.4 MATLAB工作空间 20
2.3.5 MATLAB文件管理 22
2.3.6 MATLAB帮助使用 22
2.4 MATLAB数值计算 23
2.4.1 MATLAB数值类型 23
2.4.2 矩阵运算 25
2.5 关系运算和逻辑运算 28
2.6 符号运算 29
2.6.1 符号运算基础 29
2.6.2 控制系统中常用的符号运算 30
2.7 复数和复变函数运算 30
2.7.1 复数运算基础 31
2.7.2 拉普拉斯变换及逆变换 34
2.7.3 Z变换及其反变换 35
2.8 MATLAB常用绘图命令 36
2.9 MATLAB程序设计 39
2.9.1 MATLAB程序类型 39
2.9.2 MATLAB程序流程控制 40
2.9.3 MATLAB程序基本设计原则 43

第3章 Simulink仿真 44
3.1 引言 44
3.2 Simulink仿真概述 44
3.2.1 Simulink的启动与退出 44
3.2.2 Simulink建模仿真 46
3.3 Simulink的模块库简介 47
3.3.1 Simulink模块库分类 47
3.3.2 控制系统仿真中常用的模块 48
3.4 Simulink功能模块的处理 49
3.4.1 Simulink模块参数设置 49
3.4.2 Simulink模块的基本操作 51
3.4.3 Simulink模块间的连线处理 52
3.5 Simulink仿真设置 52
3.5.1 仿真器参数设置 52
3.5.2 工作空间数据导入/导出设置 55
3.6 Simulink仿真举例 56
3.7 Simulink自定义功能模块 64
3.7.1 自定义功能模块的创建 64
3.7.2 自定义功能模块的封装 64
3.8 S函数设计与应用 66
3.8.1 S函数设计模板 66
3.8.2 S函数设计举例 68

第4章 控制系统数学模型 72
4.1 引言 72
4.2 动态过程微分方程描述 72
4.3 拉氏变换与控制系统模型 75
4.4 数学模型描述 76
4.4.1 传递函数模型 76
4.4.2 零极点形式的数学模型 77
4.4.3 状态空间模型 78
4.5 MATLAB/Simulink在模型中的应用 78
4.5.1 多项式处理相关的函数 78
4.5.2 建立传递函数相关的函数 79
4.5.3 建立零极点形式的数学模型相关函数 80
4.5.4 建立状态空间模型相关的函数 80
4.5.5 Simulink中的控制系统模型表示 81
4.5.6 Simulink中模型与状态空间模型的转化 81
4.5.7 应用实例 82
4.6 系统模型转换及连接 86
4.6.1 模型转换 86
4.6.2 模型连接 88
4.6.3 模型连接的MATLAB实现 89
4.7 非线性数学模型的线性化 91
4.8 综合实例及MATLAB/Simulink应用 92
习题 95

第5章 时域分析法 98
5.1 引言 98
5.2 时域响应分析 98
5.2.1 典型输入 98
5.2.2 线性系统时域响应一般求法 99
5.2.3 时域响应性能指标 100
5.2.4 一阶和二阶系统的时域响应 102
5.2.5 高阶系统的时域分析 105
5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用 107
5.3.1 时域分析中MATLAB函数的应用 107
5.3.2 时域响应性能指标求取 111
5.3.3 二阶系统参数对时域响应性能的影响 114
5.3.4 改善系统时域响应性能的一些措施 117
5.3.5 LTI Viewer应用 121
5.4 稳定性分析 124
5.4.1 稳定性基本概念 124
5.4.2 稳定性判据 125
5.4.3 稳态误差分析 128
5.4.4 MATLAB在稳定性分析中的应用 131
5.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 132
习题 139

第6章 根轨迹分析法 141
6.1 引言 141
6.2 根轨迹定义 141
6.3 根轨迹法基础 142
6.3.1 幅值条件和相角条件 142
6.3.2 绘制根轨迹的一般法则 143
6.3.3 与根轨迹分析相关的MATLAB函数 145
6.3.4 根轨迹分析与设计工具rltool 147
6.3.5 利用MATLAB绘制根轨迹图举例 148
6.4 其他形式的根轨迹 153
6.4.1 正反馈系统的根轨迹 153
6.4.2 参数根轨迹 153
6.4.3 时滞系统的根轨迹 154
6.4.4 利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例 154
6.5 用根轨迹法分析系统的暂态特性 156
6.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 159
习题 163

第7章 频域分析法 165
7.1 引言 165
7.2 频率特性基本概念 165
7.2.1 频率特性定义 165
7.2.2 频域分析法的特点 166
7.2.3 频域性能指标 166
7.3 频率特性的表示方法 167
7.3.1 极坐标图(Nyquist图) 167
7.3.2 对数坐标图(Bode图) 167
7.3.3 对数幅相图(Nichols图) 168
7.3.4 典型环节的频率特性 168
7.4 系统开环频率特性作图 171
7.4.1 开环对数频率特性作图 171
7.4.2 开环极坐标作图 171
7.5 频率响应分析 172
7.5.1 开环频率特性的性能分析 172
7.5.2 闭环频率特性的性能分析 174
7.6 MATLAB在频率法中的应用 177
7.6.1 求取和绘制频率响应曲线相关的函数 177
7.6.2 应用实例 178
7.7 频率法的稳定性分析 182
7.7.1 Nyquist稳定判据 182
7.7.2 稳定裕度 184
7.7.3 MATLAB在稳定性分析中的应用 185
7.8 综合实例及MATLAB/Simulink应用 189
习题 190

第8章 控制系统校正与综合 192
8.1 引言 192
8.2 控制系统校正与综合基础 192
8.2.1 控制系统性能指标 192
8.2.2 控制系统校正概述 193
8.3 PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用 195
8.3.1 PID控制器概述 195
8.3.2 比例(P)控制 196
8.3.3 比例微分(PD)控制 197
8.3.4 积分(I)控制 198
8.3.5 比例积分(PI)控制 199
8.3.6 比例积分微分(PID)控制 200
8.3.7 PID控制器参数整定 201
8.4 控制系统校正的根轨迹法 210
8.4.1 基于根轨迹法的超前校正 211
8.4.2 基于根轨迹法的滞后校正 211
8.4.3 基于根轨迹法的超前滞后校正 212
8.4.4 MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用 212
8.5 控制系统校正的频率响应法 219
8.5.1 基于频率法的超前校正 220
8.5.2 基于频率法的滞后校正 220
8.5.3 MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用 221
8.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 225
习题 230

第9章 线性系统状态空间分析 232
9.1 引言 232
9.2 线性系统状态空间基础 232
9.2.1 状态空间基本概念 232
9.2.2 状态空间实现 234
9.2.3 状态空间的标准型 241
9.2.4 状态方程求解 244
9.2.5 MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用 249
9.3 线性系统的状态可控性与状态可观性 255
9.3.1 状态可控性 255
9.3.2 状态可观性 256
9.3.3 对偶系统和对偶原理 257
9.3.4 可控标准型和可观标准型 258
9.3.5 MATLAB在可控和可观标准型中的应用 261
9.4 线性系统稳定性分析 265
9.4.1 稳定性分析基础 265
9.4.2 李雅普诺夫稳定性分析 266
9.4.3 MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用 269
9.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 269
习题 273

第10章 线性系统状态空间设计 275
10.1 引言 275
10.2 状态反馈与极点配置 275
10.2.1 状态反馈 275
10.2.2 输出反馈 276
10.2.3 极点配置 277
10.2.4 MATLAB/Simulink在极点配置中的应用 279
10.3 状态观测器 283
10.3.1 状态观测器的基本概念 283
10.3.2 全维状态观测器 285
10.3.3 降维状态观测器 289
10.3.4 MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用 291
10.4 综合实例及MATLAB/Simulink应用 293
习题 298

第11章 非线性系统 300
11.1 引言 300
11.2 非线性系统概述 300
11.2.1 非线性控制理论发展概况 300
11.2.2 典型非线性特性 301
11.2.3 Simulink中的非线性模块 302
11.3 相平面法 304
11.3.1 相平面法基础知识 305
11.3.2 MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用 306
11.4 描述函数法 312
11.4.1 描述函数基本概念 312
11.4.2 描述函数定义 313
11.4.3 描述函数的计算 314
11.4.4 非线性系统的稳定性分析 315
11.5 MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用 316
11.6 综合实例及MATLAB/Simulink应用 319
习题 323

第12章 离散控制系统 324
12.1 引言 324
12.2 离散控制系统基本概念 324
12.2.1 离散控制系统概述 324
12.2.2 离散信号的数学描述 326
12.3 离散控制系统的研究方法 329
12.3.1 线性连续与离散控制系统研究方法类比 329
12.3.2 MATLAB中的离散控制系统相关的函数 330
12.4 Z变换 331
12.4.1 离散信号的Z变换 331
12.4.2 Z变换与Z反变换常用方法 333
12.5 离散控制系统数学模型 336
12.5.1 离散系统时域数学模型 336
12.5.2 离散系统频域数学模型 337
12.6 离散控制系统性能分析 343
12.6.1 稳定性分析 343
12.6.2 静态误差分析 345
12.6.3 动态特性分析 346
12.6.4 MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用 348
12.7 综合实例及MATLAB/Simulink应用 360
习题 364

第13章 最优控制系统 367
13.1 引言 367
13.2 最优控制问题的描述 367
13.3 线性二次型最优控制问题 368
13.4 MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用 369
13.5 综合实例及MATLAB/Simulink应用 369
习题 373
附录A 控制系统相关的MATLAB函数 374
附录B Simulink模块库 378
参考文献 392

文摘
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MATLAB/Simulink与控制系统仿真

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MATLAB/Simulink与控制系统仿真

3.准确性
准确性通常用稳态误差来表示,所谓稳态误差是指系统达到稳态时,输出量的实际值和期望值之间的误差。这一性能表示稳态时的控制精度,一个设计合理的自动控制系统其稳态特性应能满足工艺的要求。
在参考输入信号作用下,当系统达到稳态后,其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差。显然,这种误差越小,表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。
一个闭环控制系统往往在满足稳态精度和暂态品质之间存在着矛盾,例如要求稳态精度高,往往不能得到很好的暂态性能。因此必须兼顾这两方面的要求,根据具体情况合理地解决。1.3 自动控制系统分类自动控制系统广泛应用于各类工业部门。随着生产规模的不断扩大和生产能力的不断提高,以及自动化技术和控制理论的发展,自动控制系统也曰益复杂和日趋完善。例如,由单输入单输出的控制系统发展为多输入多输出的系统;由具有常规控制仪表和控制器的连续控制系统,发展到由计算机作为控制器的直接数字控制系统,从而实现最优控制。由于各式各样自动控制系统的不断发展,很难确切地对自动控制系统进行分类。现将常见的几种自动控制系统概括介绍如下。
1.3.1 线性系统和非线性系统按不同系统的特征方程式,可将自动控制系统分为线性系统和非线性系统。线性控制系统是由线性元件组成的系统,该系统的特征方程式可以用线性微分方程描述。叠加性和齐次性是鉴别系统是否为线性系统的根据。线性微分方程的各项系数为常数时,称为线性定常系统。线性定常系统可以用拉普拉斯变换解微分方程,并由此定义出系统传递函数这一系统动态数学模型。根轨迹法和频率法就是在这一基础上发展起来的分析和设计线性系统的有效方法。多输入多输出系统所采用的状态空间、传递矩阵等分析方法,将在有关章节中论述。
如果系统微分方程的系数与自变量有关,则为非线性微分方程,由非线性微分方程描述的系统称为非线性控制系统。在自动控制系统中,即使只含一个非线性环节,这一系统也是非线性的。
对于非线性控制系统的理论与研究远不如线性控制系统那样完整,一般只能满足于近似的定性描述和数值计算。任何物理系统的特性,精确地说都是非线性的,但在误差允许范围内,可以将非线性特性线性化,近似地用线性微分方程来描述,这样就可以按照线性系统来处理。
非线性系统的暂态特性与其初始条件有关,从这一点来看,它与线性系统有很大的区别。例如当偏差的初始值很小时,系统的暂态过程是稳定的,而当偏差量的初值较大时,则可能不稳定。线性系统的暂态过程与初始条件无关。

内容简介
《MATLAB/Simulink与控制系统仿真(第3版)》从应用角度出发,系统地介绍了MATLAB/Simulink及其在自动控制中的应用,结合MATLAB/Simulink的使用,通过典型实例,全面阐述了自动控制的基本原理以及控制系统分析与设计的主要方法。全书共分13章,包括自动控制系统与仿真概述、MATLAB计算基础、Simulink仿真、控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、控制系统校正与综合、线性系统状态空间分析、线性系统状态空间设计、非线性系统、离散控制系统、最优控制系统等。各章通过精心设计的应用实例、综合实例和习题帮助读者理解和掌握自动控制原理以及MATLAB/Simulink相关功能和工具的使用。

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