MATLAB与控制系统仿真

绪论―教学与学习建议 - 1 -

第1章　控制系统仿真概述 - 4 -

1．1　系统仿真概述 - 4 -

1．2 MATLAB简介 - 6 -

1．3 MATLAB基本操作 - 8 -

1．3．1 MATLAB R2014a的启动 - 8 -

1．3．2 基本操作界面 - 8 -

1．4　MATLAB操作实例 - 12 -

课后习题1 - 14 -

第2章　MATLAB矩阵及其基本操作 - 15 -

2．1　矩阵及其操作 - 16 -

2．1．1　矩阵的创建 - 16 -

2．1．2　矩阵的属性 - 17 -

2．1．3　创建特殊矩阵 - 17 -

2．1．4　矩阵操作 - 18 -

2．2　矩阵运算 - 19 -

2．2．1　矩阵加、减运算 - 19 -

2．2．2　矩阵的点运算 - 19 -

2．2．3　矩阵乘运算 - 20 -

2．2．4　矩阵的一些特殊运算 - 21 -

2．3　多维矩阵及其操作 - 22 -

2．3．1　通过指定索引把二维矩阵扩展为多维矩阵 - 22 -

2．3．2　使用内联函数创建多维矩阵 - 23 -

2．3．3　使用cat函数进行链接创建 - 23 -

2．4　结构体和元胞数组 - 24 -

2．4．1　结构体的创建 - 24 -

2．4．2　元胞数组 - 26 -

2．5　字符串 - 28 -

2．6　关系运算 - 28 -

课后习题2 - 29 -

第3章　MATLAB数学运算基础 - 30 -

3．1　矩阵的基本运算 - 31 -

3．1．1　矩阵的逆 - 31 -

3．1．2　矩阵的特征值和特征向量 - 32 -

3．2　线性方程组的求解方法 - 32 -

3．3　多项式运算 - 34 -

3．3．1　使用roots函数求多项式的根 - 34 -

3．3．2　使用conv函数进行多项式乘运算 - 35 -

3．3．3　使用deconv函数进行多项式除运算 - 35 -

3．3．4　多项式微分 - 36 -

3．4　多项式曲线拟合 - 36 -

3．5　数据统计 - 37 -

课后习题3 - 42 -

第4章　M文件与MATLAB编程基础 - 43 -

4．1 MATLAB的M文件 - 43 -

4．1．1 M文件的创建和编辑 - 44 -

4．1．2　编辑器窗口说明 - 45 -

4．2 MATLAB控制语句 - 46 -

4．2．1 分支控制语句 - 46 -

4．2．2 循环控制语句 - 49 -

课后习题4 - 50 -

第5章　函数与外部数据操作 - 52 -

5．1 M文件（函数） - 52 -

5．1．1 函数类型 - 52 -

5．1．2 参数传递 - 55 -

5．2 外部数据操作 - 56 -

5．2．1 MATLAB的外部数据操作 - 57 -

5．2．2 使用窗口操作实现文件数据读取 - 58 -

5．2．3 MATLAB程序中获取用户输入数据 - 60 -

5．2．4 MATLAB程序中日期和时间的使用 - 61 -

课后习题5 - 62 -

第6章　MATLAB的绘图及图像处理 - 63 -

6．1 MATLAB的绘图 - 63 -

6．1．1 二维图形 - 65 -

6．1．2 三维图形 - 79 -

6．2 MATLAB的图像处理 - 86 -

6．2．1 颜色 - 86 -

6．2．2 光照效果 - 87 -

课后习题6 - 88 -

第7章　交互式仿真工具Simulink - 89 -

7．1 Simulink简介 - 89 -

7．2　Simulink的模块库浏览界面 - 90 -

7．3 Simulink建模与仿真 - 95 -

7．3．1 Simulink建模与仿真的步骤 - 95 -

7．3．2 Simulink模块的基本操作 - 96 -

7．3．3　Simulink仿真参数的设置 - 97 -

7．4 仿真结果的运行、观察和调试 - 101 -

7．4．1 使用菜单运行仿真 - 102 -

7．4．2 使用命令进行仿真 - 102 -

7．4．3 观察并分析仿真结果 - 104 -

7．4．4　仿真的调试方法 - 106 -

7．5 Simulink的自定义功能模块 - 108 -

课后习题7 - 108 -

第8章　控制系统模型的定义 - 110 -

8．1　自动控制系统 - 111 -

8．1．1　开环控制与闭环控制 - 111 -

8．1．2　自动控制理论概要 - 112 -

8．1．3　自动控制系统中的术语和定义 - 112 -

8．2　控制系统仿真概述 - 113 -

8．2．1　建立数学模型的实验方法简介 - 113 -

8．2．2 建立数学模型的方法 - 113 -

8．2．3 控制系统模型引言 - 114 -

8．3 模型的描述、生成与封装 - 114 -

8．3．1 传递函数模型的描述（tf模型） - 114 -

8．3．2　零极点模型的描述（zpk模型） - 116 -

8．3．3 状态空间模型的描述（ss模型） - 117 -

8．3．4　线性定常系统LTI模型的生成 - 117 -

8．4　控制系统数学模型的转换和连接 - 120 -

8．4．1　系统模型的转换 - 120 -

8．4．2 系统模型的连接 - 122 -

课后习题8 - 125 -

第9章 控制系统的稳定性分析 - 127 -

9．1 控制系统的稳定性分析 - 128 -

9．1．1　直接判别法 - 129 -

9．1．2　绘制零极点图进行判断 - 130 -

9．2　绘制系统的响应曲线 - 131 -

9．2．1　阶跃响应函数 - 132 -

9．2．2　脉冲响应函数 - 135 -

9．2．3 零输入响应函数 - 137 -

9．2．4　输入信号的产生及应用 - 139 -

9．2．5　使用Simulink实现时域响应分析 - 140 -

课后习题9 - 143 -

第10章 控制系统的时域分析 - 144 -

10．1 系统的阶跃响应分析 - 145 -

10．2 MATLAB系统分析工具LTI Viewer - 156 -

10．3　控制系统的稳态误差 - 158 -

课后习题10 - 163 -

第11章　控制系统的根轨迹分析 - 165 -

11．1　根轨迹法基础 - 166 -

11．1．1　分析的基本原理 - 166 -

11．1．2　使用MATLAB函数绘制根轨迹图 - 169 -

11．2　根轨迹法分析系统 - 173 -

11．2．1　增加开环零极点对根轨迹的影响 - 173 -

11．2．2　利用根轨迹法分析系统的暂态特性 - 178 -

11．3　MATLAB在根轨迹分析中的综合应用(rltool) - 179 -

11．3．1　图形界面工具rltool - 179 -

11．3．2　综合应用实例 - 182 -

课后习题11 - 185 -

第12章　控制系统的频域分析 - 187 -

12．1　频域分析法基础 - 187 -

12．1．1　分析的基本原理 - 187 -

12．1．2　频率响应和频率特性 - 188 -

12．2　MATLAB频域分析法―频率特性图 - 189 -

12．2．1　奈奎斯特图的绘制 - 189 -

12．2．2　奈奎斯特图判稳 - 190 -

12．2．3　伯德图的绘制 - 192 -

12．3　系统的相对稳定性和稳定裕度 - 195 -

12．3．1　幅值裕度和相角裕度 - 195 -

12．3．2　幅值裕度和相角裕度获取方法 - 195 -

课后习题12 - 197 -

第13章　PID控制器设计与应用 - 200 -

13．1　串联校正与反馈校正 - 200 -

13．1．1　串联校正 - 200 -

13．1．2　反馈校正 - 204 -

13．2 PID校正概述 - 205 -

13．3 PID控制器设计与参数整定 - 211 -

13．4 PID Tuner控制器设计 - 214 -

课后习题13 - 219 -

第14章　MATLAB图形用户界面GUI - 221 -

课后习题14 - 226 -

参 考 文 献 - 227