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1.1　自动控制概述1

1.1.1　自动控制的概念1

1.1.2 自动控制原理的内容1

第1章　自动控制原理MATLAB实现概述1

1.1.3　自动控制系统的分类2

1.2　反馈控制系统的基本概念2

1.2.1 自动控制系统的基本控制方式2

1.3　自动控制原理的MATLAB实现3

1.3.1　先进的软件系统MATLAB3

1.2.3　对控制系统的性能要求3

1.2.2　分析自动控制系统工作原理的方法3

1.3.2 自动控制原理的MATLAB实现的特点6

习题6

上篇　MATLAB计算及仿真基础9

第2章　MATLAB 7.1系统概述9

2.1　MATLAB 7.1安装与启动9

2.1.1　MATLAB 7.1的安装9

2.1.2　Notebook的安装13

2.1.3　MATLAB 7.1的启动13

2.1.4　Notebook的启动14

2.2.1 MATLAB 7.1系统的4个小窗口15

2.2　MATLAB 7.1的系统界面15

2.2.2　MATLAB 7.1的命令窗口（Command Window）16

2.2.3　MATLAB 7.1菜单项命令17

2.2.4　MATLAB 7.1工具栏按钮23

2.2.5　Start开始按钮23

2.3　MATLAB 7.1的内容及其查找24

2.3.1　MATLAB 7.1的内容24

2.3.2　MATLAB 7.1内容的查找26

2.3.3　MATLAB 7.1的work子目录28

2.4.2　Notebook的使用29

2.4.1　Notebook菜单命令简介29

2.4　MATLAB的文字处理工具Notebook29

2.4.3 Notebook使用的几个问题30

习题31

第3章　MATLAB数值运算32

3.1　MATLAB的数值运算基础32

3.1.1　常量32

3.1.2　变量33

3.1.3　MATLAB运算符33

3.2　MATLAB的数组、矩阵运算36

3.2.1　数组、矩阵的概念36

3.2.2　数组或矩阵元素的标识37

3.2.3　数组与矩阵的输入39

3.2.4　数组、矩阵的算术运算41

3.2.5　向量及其运算47

3.2.6　矩阵的特有运算50

3.2.7　数组的关系运算58

3.2.8　数组的逻辑运算59

3.2.9　特殊字符数组——字符串60

3.3　MATLAB的数组函数与矩阵函数60

3.3.1　数组函数60

3.3.2　矩阵函数62

3.4　多项式及其运算65

3.4.1　多项式运算函数65

3.4.2　多项式运算举例65

3.5　MATLAB的数学表达式及其书写68

3.5.1　MATLAB的数学表达式68

3.5.2　MATLAB数学表达式的书写68

习题69

第4章　MATLAB符号运算基础71

4.1　MATLAB符号运算概述71

4.1.1 MATLAB符号运算入门71

4.1.2 MATLAB符号运算的几个基本概念72

4.3　MATLAB符号运算的基本函数74

4.2　MATLAB符号对象的基本运算与关系运算74

4.3.1　符号变量代换及其函数subs（）75

4.3.2　符号对象转换为数值对象的函数double（）、digits（）、vpa（）、numeric（）75

4.3.3　MATLAB符号表达式的化简76

4.4　MATLAB符号微积分运算77

4.4.1　MATLAB符号极限运算78

4.4.2　MATLAB的符号函数微分运算78

4.4.3　MATLAB符号函数积分运算79

4.4.4　符号求和函数与Taylor（泰勒）级数展开函数80

4.5.1　矩阵的微分与积分82

4.5　MATLAB符号矩阵的几种特殊运算82

4.5.2　Jacobian矩阵83

4.5.3 矩阵的Jordan标准形84

4.6　MATLAB符号方程求解85

4.6.1　MATLAB符号代数方程求解85

4.6.2　MATLAB符号微分方程求解86

4.7　复变函数计算的MATLAB实现88

4.7.1　复数的概念88

4.7.2　MATLAB关于复变量的函数命令88

4.7.3　复数的生成与创建复矩阵89

4.7.4　复数的几何表示90

4.7.5　复数代数运算的MATLAB实现92

4.7.6　复数计算在自动控制系统频率特性计算中的应用94

习题95

第5章　MATLAB程序设计98

5.1　M文件、MATLAB函数与MATLAB程序98

5.1.1　M文件98

5.1.2　MATLAB函数98

5.1.3　MATLAB命令文件或程序101

5.2.1　MATLAB程序设计基本规则102

5.2　MATLAB程序设计基础102

5.2.2　表达式、表达式语句与赋值语句103

5.2.3　程序流程控制语句103

5.2.4　程序流程控制指令109

5.3　MATLAB程序的交互式、调试与警示指令110

5.3.1　MATLAB程序的交互式指令110

5.3.2　MATLAB程序的调试指令111

5.3.3　MATLAB程序的常用警示指令112

5.4　MATLAB程序设计再举例112

习题116

6.1.1　绘图函数plot（）117

第6章　MATLAB常用图形命令与符号函数图形命令117

6.1　MATLAB的常用图形命令117

6.1.2　绘图坐标系的调整118

6.1.3　图形标注118

6.1.4　多次重叠绘制图形120

6.1.5　图形窗口的分割122

6.2　MATLAB的特殊坐标绘图函数122

6.2.1　对数坐标曲线122

6.2.2　极坐标曲线124

6.2.3　双y轴坐标曲线124

6.2.4　复数的图形曲线125

6.3　MATLAB离散数据与步进图形的绘图函数126

6.3.1　MATLAB绘制离散数据图形的函数命令stem（）126

6.3.2　MATLAB绘制步进图形的函数命令stairs（）127

6.4　MATLAB符号函数的图形命令128

6.4.1　符号函数的简捷绘图函数命令ezplot（）128

6.4.2　符号函数的绘图函数命令fplot（）131

6.4.3　符号函数的极坐标绘图函数命令ezpoar（）132

习题132

7.1　Simulink仿真特色与其模型窗口133

7.1.1　Simulink仿真特色133

第7章　MATLAB 7.1的仿真集成环境Simulink 6.3133

下篇 自动控制原理的MATLAB实现133

7.1.2　进入MATLAB 7.1的Simulink 6.3134

7.1.3　Simulink 6.3的模型窗口概述135

7.2　Simulink 6.3的界面与组成138

7.2.1　Simulink 6.3功能模块组的打开与关闭139

7.2.2　Simulink 6.3功能模块的分类及其用途140

7.2.3　有关Simulink 6.3的几个问题152

7.3　用Simulink建立系统模型152

7.3.3　模块的复制、移动与删除153

7.3.2　模块的查找与选择153

7.3.1　打开模型窗口的方法153

7.3.4　模块的连接154

7.3.5　模块标题名称的修改156

7.3.6 系统结构图模型标题名称的标注与修改156

7.3.7　创建模型的取消与复原操作156

7.3.8　模型文件的保存与打开156

7.3.9　模型框图的打印157

7.3.10　Simulink建模注意事项157

7.4　模块内部参数的设置或修改157

7.4.1　常用15个模块内部参数的设置或修改157

7.4.2　用Simulink建立系统模型举例164

7.5　观察Simulink的仿真结果165

7.5.1　使用示波器模块观察仿真输出165

7.5.2　使用To Workspace模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中167

7.5.3　使用Out1模块将仿真输出信息返回到MATLAB命令窗口中169

7.6　Simulink的分析工具170

7.6.1　模型线性化概述170

7.6.2　连续系统的线性化模型170

7.6.3 离散系统的线性化模型171

7.6.4　Simulink平衡点的求取171

7.6.6　在Simulink里绘制波德（Bode）图与时间响应图172

7.6.5　Simulink里由状态方程转换成LTI（线性时不变）对象172

习题174

第8章　控制系统数学模型的MATLAB实现176

8.1　LTI三种对象及其属性176

8.1.1　LTI对象与set（）函数176

8.1.2　三种对象的属性176

8.2　控制系统数学模型对象的种类及转换177

8.2.1　控制系统数学模型177

8.2.2　三种系统数学模型之间的转换180

8.2.3　第四种系统数学模型对象（Simulink模型）183

8.3　环节方框图模型的化简184

8.3.1　环节串联连接的化简184

8.3.2　环节并联连接的化简185

8.3.3　环节反馈连接的化简186

8.4　用系统Simulink模型结构图化简控制系统模型187

8.5　控制系统三类数学模型及举例190

习题195

第9章　连续系统时域分析的MATLAB实现198

9.1　控制系统时域分析的几个基本概念198

9.2　Laplace变换及反变换200

9.2.1　Laplace变换与反变换的概念200

9.2.2　两个特殊函数的表示法201

9.2.3　计算函数的Laplace变换202

9.2.4　计算用图形表示的函数的Laplace变换203

9.2.5　利用留数将像函数表达式展成部分分式205

9.2.6　用Laplace反变换求原函数207

9.2.7　用Laplace变换定义传递函数209

9.2.8　用Laplace反变换求解微分方程212

9.3　MATLAB函数指令方式下的时域响应仿真216

9.3.1　时域响应MATLAB仿真的函数指令格式216

9.3.2　MATLAB函数指令时域响应仿真示例219

9.4　利用Simulink动态结构图的时域响应仿真示例232

9.4.1　利用Simulink动态结构图模型指令方式下的时域响应仿真实例232

9.4.2　在Simulink窗口里菜单方式下的时域响应仿真实例234

习题236

第10章　连续系统稳定性分析的MATLAB实现240

10.1　控制系统稳定性分析概述240

10.1.1　控制系统稳定性简述240

10.1.2　控制系统有关稳定性的几个基本概念240

10.2　代数稳定判据的MATLAB实现241

10.3　用根轨迹法判定系统稳定性的MATLAB实现244

10.4　用频率法判定系统稳定性的MATLAB实现248

10.4.1 用Bode图判定系统稳定性248

10.4.2　用Nyquist曲线判定系统稳定性251

习题255

第11章　连续系统稳态误差计算的MATLAB实现257

11.1　控制系统误差（响应）与稳态误差及误差传递函数257

11.1.1　控制系统误差257

11.1.2　控制系统稳态误差257

11.1.3　控制系统稳态误差的计算原理257

11.1.4　控制系统两个重要概念258

11.1.5　闭环系统的误差传递函数258

11.2　控制系统稳态误差的计算259

11.2.1　控制系统的静态误差系数与动态误差系数259

11.2.2　三种典型信号给定输入作用下的稳态误差263

11.2.3　典型外作用信号下的给定输入响应与其稳态误差曲线的绘制268

11.2.4　从输出端定义的非单位负反馈系统的误差计算273

11.2.5　扰动输入作用下的稳态误差计算274

11.3　控制系统稳态误差计算举例277

习题280

第12章　连续系统根轨迹分析的MATLAB实现282

12.1　有关根轨迹的几个基本概念282

12.2　控制系统根轨迹分析的MATLAB实现283

12.2.1　根轨迹分析MATLAB实现的函数指令格式283

12.2.2　根轨迹分析的MATLAB实现再举例286

12.3.1　根轨迹设计工具简述289

12.3　MATLAB基于根轨迹的设计工具289

12.3.2　根轨迹设计工具示例290

习题292

第13章　连续系统频域分析的MATLAB实现294

13.1　有关频域分析的几个概念294

13.2　控制系统的频率特性296

13.3　连续系统频域分析的MATLAB实现299

13.3.1　频域响应Bode图的函数指令格式及示例299

13.3.2　频域分析Nyquist曲线的函数指令格式及示例302

13.3.3　控制系统中延迟特性的处理304

13.3.4　频域分析Nichols曲线的函数指令格式及示例307

13.3.5　频域响应的模值裕度与相位裕度函数指令格式及示例308

习题314

第14章　连续线性控制系统校正的MATLAB实现316

14.1　控制系统校正设计概述316

14.1.1　经典控制系统的校正设计316

14.1.2　控制系统校正设计的几个概念316

14.1.3　控制系统的无源校正与有源校正317

14.1.4　控制系统串联校正的基本思路317

14.1.5　控制系统校正设计应注意的几个问题318

14.2.1　Bode图超前校正设计319

14.2　控制系统Bode图校正设计法319

14.2.2　Bode图滞后校正设计326

14.2.3　Bode图滞后—超前校正设计332

14.3　控制系统根轨迹设计法336

14.3.1　根轨迹超前校正设计336

14.3.2　根轨迹滞后校正设计342

14.4　控制系统PID校正设计法345

14.4.1　PID调节简述345

14.4.2　PID调节规律346

14.4.3　PID调节作用分析346

14.4.4　PID校正设计方法349

习题360

15.1　有关非线性系统分析的几个概念362

第15章　描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现362

15.2　典型非线性特性的描述函数364

15.3　描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现365

15.3.1　非线性系统自振分析365

15.3.2　描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现示例366

习题379

16.1.1　连续系统与离散系统381

16.1.2　采样过程与采样定理381

16.1　离散系统的几个基本概念381

第16章　离散系统分析的MATLAB实现381

16.1.3　信号复现与零阶保持器383

16.2　z变换与z反变换384

16.2.1　z变换与z反变换的概念384

16.2.2　MATLAB的z变换函数命令与使用385

16.2.3　MATLAB的z反变换函数命令与使用389

16.3　差分方程的z变换解法391

16.3.1　差分的概念391

16.3.2　差分方程的概念392

16.3.3　差分方程的求解392

16.4.1　脉冲传递函数的概念393

16.4　离散控制系统的脉冲传递函数393

16.4.2　开环系统脉冲传递函数及其举例394

16.4.3　闭环系统脉冲传递函数及其举例396

16.5　离散系统稳定性分析的MATLAB实现397

16.5.1　从s平面到z平面的映射397

16.5.2　z域稳定条件及稳定判据398

16.5.3　z平面到w平面的映射与在w平面应用稳定判据399

16.6　单位反馈离散系统稳态误差的MATLAB计算401

16.6.1　单位阶跃输入作用时的稳态误差402

16.6.2　单位斜坡函数输入作用时的稳态误差402

16.6.3　单位加速度函数输入作用时的稳态误差403

16.7　离散系统动态性能分析的MATLAB实现示例404

习题409

第17章　线性系统状态空间分析的MATLAB实现412

17.1　控制系统状态空间分析的几个基本概念412

17.2　系统状态空间表达式及其状态方程的解414

17.2.1　状态空间表达式的建立414

17.2.2　系统状态方程的解416

17.2.3　求控制系统的特征方程、特征值及特征向量418

17.2.4　连续系统状态方程的离散化420

17.3.1　传递矩阵422

17.3　系统状态方程的线性变换422

17.3.2　状态方程的线性变换423

17.3.3　Vandermonde（范德蒙特）矩阵与Jordan（约当）标准形426

17.4　线性系统的可控性与可观性428

17.4.1　线性系统的可控性428

17.4.2　线性系统的可观测性434

17.4.3　线性定常系统的实现问题438

17.5　系统状态反馈与状态观测器439

17.5.1 系统的输出反馈与闭环系统的传递矩阵439

17.5.2 系统的状态反馈与闭环系统的状态矩阵440

17.5.3　系统的极点配置441

17.5.4　系统的状态观测器442

17.5.5 系统的状态降维观测器444

17.6　Lyapunov系统稳定性分析的MATLAB实现448

17.6.1　系统稳定性概述448

17.6.2　李亚普诺夫意义下的稳定性理论449

17.6.3　线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析450

17.6.4　李亚普诺夫方程的求解453

习题455

18.1　最优控制的基本概念460

18.1.1　最优控制问题460

第18章　线性二次型最优控制的MATLAB实现460

18.1.2　最优控制的性能指标461

18.1.3　最优控制问题的数学分类法462

18.1.4　最优控制问题的求解方法463

18.1.5　线性二次型最优控制463

18.2　连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现463

18.2.1　连续系统线性二次型最优控制463

18.2.2　连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现464

18.2.3　连续系统线性二次型最优控制的MATLAB实现示例464

18.3　离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现465

18.3.1 离散系统稳态线性二次型最优控制465

18.3.2 离散系统线性二次型最优控制的MATLAB实现与示例466

18.4　最优观测器的MATLAB实现468

18.4.1　连续时不变系统的Kalman滤波468

18.4.2　Kalman滤波的MATLAB实现469

18.4.3　Kalman滤波的MATLAB实现示例470

18.5　线性二次型Guass最优控制的MATLAB实现472

18.5.1　LQG最优控制的求解472

18.5.2　LQG最优控制的MATLAB实现与示例473

习题474

附录A　作者编写的MATLAB函数477

附录B　无源校正网络与有源校正网络498

参考文献503