全国高等院校仪器仪表及自动化类"十二五"规划教材:控制系统原理与MATLAB仿真实现.pdf

全国高等院校仪器仪表及自动化类
 

书籍描述

编辑推荐
本书大部分内容和实例在教学实践中做过实验和验证。

作者简介
王敏,西北工业大学明德学院机电系专职老师,主讲MATLAB在控制系统仿真中的应用、现代控制理论和自动控制原理等几门课程,参与“基于Gabor小波的多尺度空间理论车牌号识别研究”并负责建立模型,对控制系统的MATLAB仿真具有丰富的实践经验。

目录
第1章概述1
1.1控制系统的研究方法1
1.1.1控制理论的发展1
1.1.2经典控制理论2
1.1.3现代控制理论2
1.2控制系统仿真的基本概念2
1.2.1控制系统的实验方法2
1.2.2模型的建立及分类3
1.2.3仿真实验的分类3
1.2.4数字仿真4
1.3控制系统仿真软件及过程5
1.3.1仿真软件5
1.3.2MATLAB仿真的优越性6
1.3.3仿真过程6
1.4仿真技术的应用及发展7
1.4.1仿真技术在工程中的应用7
1.4.2应用仿真技术的意义8
1.4.3仿真技术的发展趋势8
小结9
习题9
第2章MATLAB基础知识10
2.1MATLAB数据结构10
2.1.1数值型和逻辑型数据10
2.1.2字符和字符串型数据12
2.1.3结构体型数据13
2.2MATLAB基本控制流程13
2.2.1顺序结构14
2.2.2选择结构14
2.2.3循环结构16
2.2.4分支语句与其他流程控制语句18
2.3MATLAB的M函数设计19
2.3.1M函数的基本结构20
2.3.2M脚本式文件与M函数式文件的区别23
2.3.3M函数中的变量类型23
2.3.4M函数的跟踪调试24
2.4MATLAB的图形绘制26
2.4.1绘制二维图形27
2.4.2绘制三维图形30
2.5MATLAB的图形用户界面设计34
小结40
习题40
第3章Simulink交互式仿真集成环境41
3.1Simulink仿真概述41
3.1.1初识Simulink41
3.1.2在Simulink下工作43
3.1.3Simulink工作原理45
3.2Simulink模块及处理46
3.2.1Simulink模块库46
3.2.2Simulink模块处理47
3.3Simulink仿真设置48
3.3.1求解器设置面板49
3.3.2数据导入/导出面板51
3.3.3优化面板52
3.3.4诊断面板52
3.4子系统与模块封装技术54
3.4.1模型子系统55
3.4.2模块封装技术56
3.4.3自定义模型库59
3.5S—函数设计与应用60
3.5.1用m语言编写S—函数61
3.5.2用C语言编写S—函数63
小结66
习题66
第4章控制系统的数学模型68
4.1几种常用数学模型68
4.1.1传递函数模型68
4.1.2零极点增益模型68
4.1.3部分分式模型69
4.1.4状态空间模型69
4.1.5MATLAB/Simulink在数学模型建立中的应用69
4.2数学模型的相互转换75
4.2.1由传递函数求状态空间表达式75
4.2.2由状态空间表达式求传递函数75
4.2.3MATLAB/Simulink在数学模型转换中的应用76
4.3数学模型的连接84
4.3.1串联连接85
4.3.2并联连接85
4.3.3反馈连接85
4.3.4MATLAB/Simulink在数学模型连接中的应用85
小结91
习题91
第5章控制系统的时域分析92
5.1系统的稳定性分析92
5.2时域响应分析94
5.2.1系统的动态过程与稳态过程94
5.2.2时域内系统的主要性能指标94
5.2.3系统的时域响应分析95
5.3MATLAB/Simulink在时域分析中的应用97
5.3.1MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用98
5.3.2基于MATLAB的稳定性判断方法103
5.3.3MATLAB/Simulink在系统动态特性分析中的应用107
5.3.4MATLAB/Simulink在求取系统稳态特性中的应用115
5.4LTIViewer在时域分析中的应用118
5.4.1LTIViewer命令栏主要命令介绍119
5.4.2LTIViewer的应用实例121
小结124
习题124
第6章控制系统的根轨迹分析126
6.1根轨迹法基本概念126
6.1.1根轨迹方程126
6.1.2绘制根轨迹的基本法则127
6.2其他形式的根轨迹128
6.2.1参数根轨迹128
6.2.2零度根轨迹128
6.3MATLAB/Simulink在根轨迹分析中的应用129
6.3.1绘制根轨迹的函数129
6.3.2计算根轨迹增益函数130
6.3.3绘制含阻尼系数和自然频率栅格线的系统根轨迹131
6.4根轨迹分析与设计工具rltool132
6.4.1rltool根轨迹设计窗口界面简介133
6.4.2命令菜单简介133
小结138
习题138
第7章控制系统的频域分析与校正140
7.1频率特性基本概念140
7.1.1系统的表示140
7.1.2频率特性定义141
7.1.3矢量表示142
7.2频率特性的表示方法142
7.2.1极坐标频率特性曲线143
7.2.2对数频率特性曲线143
7.2.3对数幅相特性曲线144
7.3频率分析法144
7.3.1开环极点与闭环极点的关系144
7.3.2频域稳定性判据145
7.4频率法稳定性分析149
7.4.1最小相位系统149
7.4.2原点处有开环极点的情况149
7.4.3非最小相位系统151
7.5MATLAB/Simulink在频域分析中的应用152
7.5.1频域分析的基本原理152
7.5.2MATLAB进行频域分析的方法152
7.5.3实例分析154
7.6MATLAB/Simulink在频域校正中的应用156
7.6.1相位超前校正156
7.6.2相位滞后校正163
7.6.3滞后—超前校正168
7.6.4串联PID校正173
小结181
习题181
第8章控制系统状态空间分析与设计183
8.1线性系统状态空间基础183
8.1.1状态空间的基本概念183
8.1.2状态空间表达式的标准形式185
8.1.3MATLAB/Simulink在状态空间表达式中的应用186
8.2状态空间表达式的解188
8.2.1连续系统状态方程的解188
8.2.2线性定常连续系统状态空间表达式的离散化189
8.2.3离散系统状态方程的解190
8.2.4MATLAB/Simulink在状态空间表达式求解中的应用191
8.3线性系统的状态能控性与能观性192
8.3.1线性定常连续系统状态能控性192
8.3.2线性定常连续系统状态能观性193
8.3.3离散系统状态能控性、能观性195
8.3.4MATLAB/Simulink在系统能控性、能观性分析中的应用195
8.4线性系统稳定性分析200
8.4.1概述200
8.4.2Lyapunov稳定性定理200
8.4.3Lyapunov稳定性分析202
8.4.4MATLAB/Simulink在线性系统稳定性分析中的应用203
8.5线性系统状态空间设计207
8.5.1线性反馈控制系统的基本结构208
8.5.2极点配置209
8.5.3状态观测器210
8.5.4MATLAB/Simulink在状态空间分析和设计中的应用212
小结217
习题218
第9章控制系统的联合仿真219
9.1基于S—函数的仿真扩展219
9.1.1硬件在回路的仿真扩展219
9.1.2网络分布式仿真的扩展220
9.2基于虚拟样机的联合仿真222
9.2.1虚拟样机技术222
9.2.2联合仿真的步骤223
9.2.3球棒系统的联合仿真224
小结229
习题230
附录A231
附录B235
参考文献248

序言
前 言
自动控制领域里有大量烦琐的计算和仿真曲线绘制任务,在计算机高度发展的今天,利用计算机可以完成这一任务,即进行控制系统的仿真试验和研究,并进一步实现计算机控制。控制系统仿真是近20多年来发展起来的一门新兴技术学科,是对控制系统进行分析、设计和综合研究的一种很有效的手段。
由于MATLAB软件包含各种功能的工具箱,具有强大的运算功能,特别是MATLAB/ Simulink控制工具箱,内容丰富,门类齐全,覆盖了控制系统的各个领域,所以在控制系统仿真中得到广泛应用。
本书以先进计算机仿真软件MATLAB/Simulink在自动控制中的应用为编写宗旨,借鉴以往类似图书的经验,并结合日常的教学和科研工作进行编写。内容包括两大部分:第一部分介绍MATLAB用于控制系统计算及仿真的有关知识;第二部分内容涵盖经典控制理论和现代控制理论的系统仿真。
每章先对与自动控制有关的基本概念进行简要介绍,然后介绍MATLAB相关函数,并从实用的角度出发,通过大量典型示例,对MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自动控制中的应用进行详细论述。大部分内容和例子已在本科生有关控制理论与控制工程的教学实践中做过实验和验证。
全书共分9章,包括系统仿真的基本概念、MATLAB/Simulink的基本内容及使用方法、控制系统的数学模型及其转换、控制系统根轨迹、时域和频域的分析与校正、控制系统状态空间的分析与设计和控制系统的联合仿真。
本书第1章、第8章和附录A由王敏编写,第2章、第5章由朱冰编写,第3章、第9章和附录B由王立恒编写,第4章由王敏和张国强编写,第6章由张国强编写,第7章由姚峰林编写,全书由王敏统稿。张科教授在百忙中审阅了全书,提出了许多宝贵的修改意见,李言俊教授对本书进行了推荐,余瑞星教授对本书编写给予了大力支持和指导,在此表示衷心感谢。
本书可作为高等院校自动化专业和电气信息类其他各专业学生的教材。本书具有较强的通用性和实用性,也可作为从事自动控制及相关专业的教学、研究、设计人员和工程技术人员的参考用书。
尽管我们为本书付出了心血和努力,但书中仍存在不足与疏漏之处,恳请广大读者批评指正。

编 者
2013年8月

文摘
版权页:



插图:



Signal Routing:信号路由模块库。设置信号总线、路由等信号连接的功能模块。
Sinks:输出设备模块库。包含各种信号输出显示的设备模块。
Sources:信号源模块库。包含各种仿真需要的信号源。
User—Defined Function:用户自定义函数模块库。提供用户自定义函数的功能模块。
Additional Math&Discrete:新增模块库。包含高版本新增的一些数学和离散系统仿真的功能模块。
附录8对主要的模块库分别进行了介绍。
3.2.2 Simulink模块处理
在图形化建模时,需要对功能模块进行编辑处理,以达到建模的要求。功能模块的基本操作包括模块的添加、选择、删除、移动、复制、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入/输出信号的连接等。
模块的添加:可以在模块库中选择需要的模块直接通过鼠标拖曳到模型窗口来为模型文件添加一个模块。也可以在模块库中选中需要的模块,然后单击“Simulink Library Browser”窗口下的菜单Edit—Add to the Current model来添加一个模块。使用后一种方法需要注意:如果打开多个模型窗口,模型将被添加到最近激活的模型窗口中。
模块的选择:单击一个模块,可以选中这个模块。被选中的模块四个角会出现黑色标记。此时可以对该模块进行基本操作。可以用选择框选择多个模块,或在选择模块时按住Shift键,用于添加选择。用菜单Edit—Select All来选择所有的模块。单击选择的方法也适用于信号线。
模块的删除:选中模块后,按Delete键即可删除该模块。也可以通过菜单Edit—Delete来删除选择的模块。
模块的移动:选中模块后,按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置后,放开鼠标左键即完成被选模块的移动。注意:该方法移动时,连接到模块上的连线仍然保持连接并一起移动。如果想模块移动时脱离信号线,在移动时按住Shift键即可实现。
模块的复制:选中模块后,按住Ctrl键同时使用鼠标左键拖曳模块,即可完成复制;也可以直接使用鼠标右键拖曳模块实现模块的复制;还可以通过菜单Edit—Copy,Edit—Paste实现对选中模块的复制。
模块的转向:为了能够在连线时使模型走线整洁清晰,有时有必要对功能模块进行转向。选中模块后,通过主菜单或是右键快捷菜单Format—Flip Block将模块左右翻转180°。通过Fomat—Rotate Block将模块顺时针旋转90°。也可以使用Ctrl+F快捷键来实现模块翻转;使用Ctrl+R快捷键来实现模块旋转。
改变模块大小:选中模块后,使用鼠标拖曳模块上出现的4个黑色标记(热点)即可改变模块的大小。
模块命名:先用鼠标左键在需要更改的模块名称上单击一下,此时模块名称成为一个可编辑的文本框,鼠标单击的位置有光标在闪烁,可以使用编辑文本框的方法来实现模块名称的修改。名称在功能块上的位置可以使用Format菜单中的Flip Name来实现上下翻转,也可以通过鼠标直接拖曳。可以使用Format菜单中的HideName来隐藏模块的名称。

内容简介
本书以先进计算机仿真软件MATLAB/Simulink在自动控制中的应用为编写宗旨,结合日常的教学和科研工作进行编撰。内容包括两大部分:第一部分介绍MATLAB用于控制系统计算及仿真的有关知识;第二部分内容涵盖经典控制理论和现代控制理论的系统仿真。全书共分9章,包括:系统仿真的基本概念、MATLAB/Simulink的基本内容及使用方法、控制系统的数学模型及其转换、控制系统根轨迹、时域和频域的分析与校正、控制系统状态空间的分析与设计和控制系统的联合仿真。每个章节先对与自动控制有关的基本概念进行简要介绍,然后介绍MATLAB相关函数,并从实用的角度出发,通过大量典型样例,对MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自动控制中的应用进行详细论述。大部分内容和例子,已在本科生有关控制理论与控制工程的教学实践中做过实验和验证。

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