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第1章 控制系统及仿真概述1

解题实训题1

第1部分 控制系统MATLAB计算及仿真的解题实训1

第2章 MATLAB 7.0系统2

2.1 MATLAB 7.0的安装与启动2

2.1.1 MATLAB 7.0的安装2

2.1.2 Notebook的安装5

2.1.3 MATLAB 7.0（即MATLAB R14）的启动6

2.1.4 Notebook的启动6

2.2 MATLAB 7.0的系统7

2.2.1 MATLAB 7.0的系统界面7

2.2.3 MATLAB 7.0工具栏按钮9

2.2.4 MATLAB 7.0的命令窗口（Command Window）9

2.2.2 MATLAB 7.0菜单项命令9

2.3 MATLAB 7.0的内容及其查找10

2.3.1 MATLAB 7.0的内容10

2.3.2 MATLAB 7.0的内容查找12

2.4 Notebook15

2.4.1 Notebook菜单命令简介15

2.4.2 Notebook的使用16

2.4.3 Notebook使用的几个问题16

上机操作实训题17

第3章 MATLAB的数值运算18

3.1 MATLAB的数值运算基础18

3.2 MATLAB的数组、矩阵运算19

3.3 MATLAB的数组函数与矩阵函数32

3.4 多项式及其运算34

3.5.2 MATLAB数学表达式书写37

3.5.1 MATLAB的数学表达式37

3.5 MATLAB的数学表达式及其书写37

解题实训题38

第4章 MATLAB符号运算基础41

4.1 复习MATLAB符号运算的几个基本概念41

4.2 MATLAB符号对象的基本运算与关系运算41

4.3 MATLAB符号运算的基本函数42

4.4 MATLAB符号微积分运算44

4.5 MATLAB符号方程运算50

解题实训题56

第5章 MATLAB的程序设计58

5.1 有关MATLAB程序设计的基本概念58

5.2 MATLAB程序设计基本规则58

5.3 有关MATLAB程序设计举例59

解题实训题66

第6章 MATLAB常用图形命令与符号函数图形命令67

6.1 MATLAB的常用图形命令67

6.1.1 绘图函数plot（）67

6.1.2 绘图坐标系的调整68

6.1.3 图形标注68

6.1.4 多次重叠绘制图形71

6.1.5 图形窗口的分割71

6.2 MATLAB的特殊坐标绘图函数71

6.2.1 对数坐标曲线71

6.2.2 极坐标曲线72

6.2.3 双y轴坐标曲线73

6.3 MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数73

6.3.1 MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem（）73

6.4 MATLAB符号函数的图形命令74

6.3.2 MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs（）74

解题实训题75

第7章 MATLAB7.0的仿真集成环境Simulink6.176

7.1 Simulink仿真工具76

7.1.1 进入MATLAB 7.0的Simulink 6.176

7.1.2 Simulink仿真特色77

7.2 Simulink 6.1的界面与组成77

7.2.1 Simulink 6.1功能模块组的打开与关闭78

7.2.2 Simulink 6.1功能模块的分类及其用途78

7.3 用Simulink建立系统模型94

7.3.1 模型窗口94

7.3.2 模块的查找与选择95

7.3.3 模块的复制、移动与删除95

7.3.4 模块的连接97

7.3.5 模块标题名称的修改98

7.3.6 系统结构图模型标题名称的标注与修改98

7.3.7 创建模型的复原操作98

7.3.8 模型文件的保存与打开99

7.3.9 模型框图的打印99

7.3.10 Simulink建模注意事项99

7.4 模块内部参数的设置或修改100

7.4.1 10个常用模块内部参数的设置或修改100

7.4.2 用Simulink建立系统模型举例105

7.5 自定义子系统与子系统的封装105

7.5.1 自定义子系统105

7.5.2 子系统的封装108

解题实训题110

8.1 设置或修改LTI对象的属性值函数set（）113

第8章 控制系统数学模型的MATLAB实现113

8.2 控制系统数学模型114

8.3 控制系统模型转换与化简119

8.4 用系统Simulink模型结构图化简控制系统模型123

解题实训题126

第9章 控制系统时域分析的MATLAB实现130

9.1 Laplace变换及反变换130

9.1.1 Laplace变换与反变换的概念130

9.1.2 两个特殊函数的表示法131

9.1.3 计算函数的Laplace变换131

9.1.4 计算用图形表示的函数的Laplace变换135

9.1.5 利用留数将象函数表达式展成部分分式139

9.1.6 用Laplace反变换求原函数142

9.1.7 Laplace变换的卷积与卷积定理144

9.1.8 用Laplace变换定义传递函数145

9.1.9 用Laplace反变换求解微分方程148

9.2 MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真154

9.2.1 一阶系统时域分析的MATLAB实现155

9.2.2 二阶及高阶系统时域分析的MATLAB实现158

9.3 利用Simulink动态结构图的时域响应仿真167

9.3.1 利用Simulink动态结构图模型程序方式下的时域响应仿真167

9.3.2 在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真169

解题实训题171

第10章 控制系统稳定性分析的MATLAB实现176

10.1 代数稳定判据的MATLAB实现176

10.1.1 用系统特征方程的根判定系统稳定性176

10.1.2 用Lienard-Chipard稳定判据判定系统稳定性177

10.2 用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现178

10.3.1 用Bode图法判断系统稳定性182

10.3 用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现182

10.3.2 用Nyquist曲线法判断系统稳定性185

解题实训题188

第11章 控制系统稳态误差计算的MATLAB实现190

11.1 控制系统的静态误差系数与动态误差系数190

11.2 3种典型信号给定输入作用下的稳态误差193

11.3 从输出端定义的非单位负反馈系统的误差的计算200

11.4 扰动输入作用下的稳态误差计算202

11.5 绘制误差响应曲线203

解题实训题206

第12章 根轨迹分析的MATLAB实现209

12.1 控制系统根轨迹分析MATLAB实现209

12.1.1 根轨迹分析的MATLAB实现的函数指令格式209

12.1.2 根轨迹分析的MATLAB实现举例210

12.2 根轨迹设计工具219

解题实训题221

第13章 控制系统频域分析的MATLAB实现223

13.1 控制系统的频率特性223

13.2 控制系统Bode图及其模值裕度与相位裕度225

13.3 控制系统Nyquist曲线232

解题实训题233

第14章 描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现235

14.1 非线性系统特性简述235

14.2 非线性系统自振235

14.3 非线性系统自振分析236

14.4 描述函数法分析非线性系统自振的MATLAB实现237

解题实训题259

15.1 简单闭环控制系统的MATLAB计算及仿真261

第15章 自动控制系统的MATLAB计算及仿真261

15.2 多闭环控制系统的MATLAB计算及仿真269

15.3 位置随动系统的动态校正设计与稳态误差分析277

15.3.1 位置随动系统的动态校正设计278

15.3.2 位置随动系统的稳态误差分析288

15.4 过程控制系统的MATLAB计算及仿真292

15.4.1 简单回路控制系统的动态校正设计292

15.4.2 前馈控制系统的MATLAB计算及仿真296

15.4.3 大延迟控制系统的动态校正设计301

解题实训题304

第16章 自动控制系统的设计308

16.1 控制系统Bode图设计法310

16.1.1 控制系统Bode图常规设计法的超前校正设计310

16.1.2 控制系统Bode图设计法的滞后校正设计317

16.2.1 控制系统根轨迹超前校正设计325

16.2 控制系统根轨迹校正设计325

16.2.2 控制系统根轨迹滞后校正设计328

16.3 控制系统P、PI、PID校正设计331

16.3.1 控制系统Ziegler-Nichols整定公式的P、PI、PID校正设计331

16.3.2 控制系统Cohen-Coon整定公式的P、PI、PD、PID校正设计333

16.3.3 控制系统最优控制（误差积分指标最优）的P、PI、PID校正设计334

16.3.4 控制系统稳定边界法的P、PI、PID校正设计338

解题实训题340

第17章 状态空间分析的MATLAB实现342

17.1 系统状态空间描述及其状态方程的解342

17.1.1 状态空间表达式的建立342

17.1.2 求控制系统的状态转移矩阵φ（t）345

17.1.3 求控制系统的传递矩阵G（s）347

17.1.4 求控制系统的特征方程、特征值及特征向量348

17.1.5 求控制系统的状态方程的解349

17.1.6 连续系统状态方程的离散化351

17.2 系统状态方程的线性变换352

17.2.1 控制系统的P变换352

17.2.2 控制系统的P-1变换354

17.2.3 利用范德蒙矩阵将状态方程化为对角线标准形355

17.2.4 将状态方程化为约当标准形356

17.3 线性系统的可控性与可观性360

17.3.1 线性系统的可控性360

17.3.2 线性系统的可观性365

17.4 系统状态反馈与状态观测器370

17.4.1 系统的极点配置370

17.4.2 系统的状态观测器371

17.4.3 系统的状态降维观测器374

17.5 Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现378

解题实训题381

第18章 线性二次型最优控制的MATLAB实现387

18.1 连续系统线性二次型最优控制387

18.2 离散系统稳态线性二次型最优控制389

18.3 最优观测器（Kalman滤波）的MATLAB实现391

18.4 线性二次型Guass最优控制器394

解题实训题396

第2部分 控制系统MATLAB计算及仿真的实验实训400

第19章 MATLAB仿真基础实验实训400

【实验实训19-1】MATLAB 7.0系统的安装、卸载与启动400

【实验实训19-2】MATLAB 7.0系统界面、菜单认识与内容查找401

【实验实训19-3】Simulink 6.1系统界面与菜单认识401

【实验实训19-4】典型模块的参数设置401

【实验实训19-6】程序方式下与Notebook方式下运行程序402

【实验实训19-5】仿真模型图的绘制402

第20章 自动控制原理实验实训404

【实验实训20-1】控制系统时域分析的MATLAB实现404

【实验实训20-2】控制系统稳定性分析的MATLAB实现404

【实验实训20-3】控制系统稳态误差分析的MATLAB实现404

【实验实训20-4】控制系统根轨迹分析的MATLAB实现405

【实验实训20-5】控制系统频域分析的MATLAB实现405

【实验实训20-6】描述函数分析非线性系统的MATLAB实现406

【实验实训20-7】状态空间分析的MATLAB实现406

【实验实训20-8】线性二次型最优控制的MATLAB仿真406

第21章 电力拖动控制系统MATLAB仿真实验实训408

【实验实训21-1】单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真408

【实验实训21-2】双闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真408

【实验实训21-4】位置控制系统的MATLAB计算与仿真409

【实验实训21-3】三闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真409

第22章 生产过程控制系统MATLAB仿真实验实训410

【实验实训22-1】简单回路控制系统的MATLAB计算及仿真410

【实验实训22-2】串级控制系统的MATLAB计算及仿真410

【实验实训22-3】前馈控制系统的MATLAB计算及仿真411

【实验实训22-4】大延迟控制系统的MATLAB计算及仿真411

第3部分 控制系统MATLAB计算及仿真的课程设计与毕业设计实训412

第23章 电力拖动控制系统课程与毕业设计实训412

【电力拖动控制系统设计实训23-1】单闭环直流调速系统的MATLAB设计及仿真412

【电力拖动控制系统设计实训23-2】双闭环直流调速系统的MATLAB设计与仿真417

附录A 解题实训题参考答案425

附录B 作者编写的MATLAB函数469

附录C 无源校正网络与有源校正网络491

参考文献496