控制系统建模、仿真与设计——基于MATLAB/Simulink的分析与实现_李怡然、孙中奇、吴楚格_9787302693550

本书是一本控制系统建模、仿真与设计的立体教程，针对的读者群是零基础小白。通过本书的学习，读者能够成为熟练的使用仿真工具来进行控制系统分析。本书主要包括MATLAB基本应用，矩阵基本运算、图形绘制及数据可视化、控制系统的数学模型、MATLAB在控制系统仿真中的应用方法、Simulink与系统仿真、以直流电机和倒立摆为被控对象的典型控制系统实验案例和项目制控制系统设计案例。本书适合作为控制系统仿真、计算机辅助设计等工程应用的自学入门参考读物。

MATLAB是一个功能十分强大的开发平台，具有极其丰富的功能，在计算机程序设计、科学计算和数据分析、系统建模仿真与辅助设计和大部分行业(如通信、自动控制、大数据、人工智能和机器学习、金融等)的工程实践中都得到了广泛的应用。与传统的计算机编程语言相比，MATLAB在解决技术问题方面具有许多优势，主要包括如下几方面。

(1) 使用方便。MATLAB是一种解释型程序设计语言，既可以用脚本命令的形式实现程序算法中的各步操作，也可以用于执行大型的程序。使用内置的MATLAB集成开发环境，可以轻松地编写、修改和调试程序。

(2) 平台独立性。MATLAB支持许多不同的计算机系统，例如，Windows、Linux和macOS。在任何平台上编写的程序和数据都可以在所有其他平台上运行和访问。因此，用MATLAB编写的程序可以在用户需要发生变化时迁移到新的平台。

(3) MATLAB编译器。MATLAB的灵活性和平台独立性是通过将MATLAB程序编译成独立于设备的代码，然后在运行时解释代码指令来实现的。MATLAB提供了一个单独的MATLAB编译器，可以将MATLAB程序编译成真正的可执行文件，其运行速度超过解释的代码。

(4) 丰富的预定义函数库。MATLAB提供了大量的预定义函数库，为许多基本技术任务提供了经过测试和预打包的诸多解决方案。除了内置的大型函数库，还有许多特殊用途的工具箱可用于帮助用户解决特定工程领域的复杂问题。例如，利用附加工具箱可以解决信号处理、控制系统、通信、图像处理、人工智能、深度学习和神经网络等方面的工程问题。

(5) 设备独立的绘图功能。与大多数计算机语言不同，MATLAB有许多完整的绘图命令，以实现科学计算数据的可视化和图形图像的处理，图像可以显示在计算机所支持的任何图形输出设备上。这些功能使MATLAB成为一个用于计算数据可视化的优秀工具，在各种工程领域得到大量应用。

(6) 图形化的用户界面。MATLAB系统包括允许程序员为其程序交互式构建图形用户界面的工具。有了这种功能，程序员可以设计出复杂的数据分析程序，可以由相对没有经验的用户操作。

本书主要面向具有计算机基础但还没有编程基础的工程技术人员、高等学校低年级学生。从基础的程序设计开始，紧扣理工科专业的人才培养方案和专业知识结构，涵盖了控制系统建模、仿真与控制器设计的知识点和控制系统综合设计案例，逐步引导读者进入专业基础课和专业课程的学习。

全书主要内容分为五篇，第一篇主要介绍MATLAB的基本应用、矩阵和矩阵运算、
图形绘制与
数据可视化和MATLAB程序设计基本方法；第二篇主要介绍使用MATLAB工具箱完成线性系统的建模、性质分析、时域响应分析、根轨迹和频域分析方法；第三篇主要介绍Simulink的基本用法、控制系统典型环节的仿真、控制系统稳定性分析与稳态误差仿真、系统串联校正器设计、PID控制器设计和非线性系统仿真与设计；第四篇以典型被控对象直流电机和旋转倒立摆系统为例，综合应用MATLAB和Simulink及相关工具箱完成硬件在环系统建模、仿真与控制器设计；第五篇给出了两个项目制的控制系统设计案例垃圾分拣系统设计和平衡球传递系统设计，以项目案例为牵引使学生进一步深入理解控制系统建模、仿真与设计的方法，培养学生创新意识和综合能力。

本书的主要特色如下。

(1) 内容浅显易懂。本书主要面向控制理论初学者，引导读者打开控制系统建模、仿真与设计的大门，快速掌握控制系统分析和设计的基本概念和方法。章节内容循序渐进、浅显易懂，语言表述严谨、逻辑性强。

(2) 讲练同步融合。各章节在相关内容讲授之后，立即安排适量的例题和同步练习题。所有例题代码都在MATLAB R2023a版本上调试通过，同步练习题可以帮助读者自我检查对当前内容的掌握情况，以便及时跟进。

(3) 面向工程应用。控制系统的设计主要是面向工程应用，本书专门用了一整篇(第五篇)的篇幅，介绍控制系统设计在工程中的实际应用，提高学习者的主观能动性和综合能力。

在本书的撰写过程中，特别感谢聂敏老师、杜欣悦同学的大力支持。由于时间仓促，书中难免存在疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。

李怡然2025年1月

目录
第一篇MATLAB程序设计基础
第1章MATLAB的基本应用
微课视频20分钟
1.1MATLAB入门
1.2命令行窗口
1.3脚本和实时脚本
1.3.1脚本
1.3.2实时脚本
1.3.3帮助和文档
第2章矩阵和矩阵运算
微课视频23分钟
2.1矩阵的创建
2.1.1矩阵的构建
2.1.2创建特殊矩阵
2.1.3矩阵的串联
2.1.4冒号表达式
2.1.5矩阵位置索引
2.1.6从矩阵中删除行或列
2.2矩阵的基本运算
2.2.1矩阵的代数运算
2.2.2矩阵的点运算
2.2.3矩阵的逻辑运算与比较运算
2.2.4矩阵的转置、翻转与旋转
2.2.5矩阵的基本分析
2.3创新案例
第3章图形绘制与数据可视化
微课视频13分钟
3.1二维曲线的绘制
3.1.1二元数据的曲线绘制
3.1.2曲线图形的属性设置
3.1.3将多个图形在同一窗口绘制
3.2三维图形表示
3.2.1三维曲线绘制
3.2.2三维曲面绘制
3.2.3三维图形视角设置
3.3创新案例
第4章MATLAB程序设计
微课视频23分钟
4.1程序控制结构
4.1.1顺序结构
4.1.2选择结构
4.1.3循环结构
4.2M文件编辑和调试
4.2.1断点
4.2.2运行和单步调试
4.2.3节
4.3创新案例
第二篇MATLAB在自动控制理论中的应用
第5章线性控制系统的数学模型
微课视频31分钟
5.1控制系统数学描述
5.1.1传递函数模型
5.1.2状态空间方程
5.1.3零极点增益模型
5.1.4离散系统传递函数模型
5.1.5离散系统状态空间方程
5.2不同模型之间的转换
5.2.1连续模型和离散模型之间的转换
5.2.2状态空间方程与传递函数之间的转换
5.2.3传递函数的状态空间实现
5.2.4系统最小实现
5.3控制系统框图简化
5.4创新案例
第6章线性系统性质分析
6.1线性系统稳定性分析
6.2线性系统可控性分析
6.3线性系统可观测性分析
6.4创新案例
第7章线性系统时域分析
微课视频33分钟
7.1线性系统时域响应
7.1.1线性系统的阶跃响应和脉冲响应
7.1.2零初始状态系统响应
7.1.3线性系统任意初始状态的响应
7.2典型二阶系统的阶跃响应
7.2.1二阶系统时域动态性能指标及其数值计算方法
7.2.2二阶系统时域动态性能指标解析解法
7.3创新案例
第8章线性系统根轨迹分析
微课视频21分钟
8.1根轨迹法
8.2创新案例
第9章线性系统频域分析
9.1单变量线性系统频域分析
9.2基于频率特性的系统稳定性分析
9.3系统的幅值裕度和相位裕度
9.4创新案例
第三篇Simulink在自动控制理论中的应用
第10章Simulink与系统仿真
微课视频22分钟
10.1Simulink工作环境
10.1.1基础模型建立
10.1.2基础模型仿真实现
10.1.3Simulink模块库
10.2Simulink环境设置
10.2.1功能模块操作
10.2.2设置仿真起止时间及步长
10.2.3参数设置方法
10.3与M文件组合仿真
10.3.1仿真运行命令
10.3.2仿真函数调用格式
10.4仿真案例
10.5子系统封装
10.5.1子系统划分
10.5.2与函数模块组合仿真
第11章典型一阶、二阶系统的仿真与分析
11.1典型一阶系统仿真
11.1.1比例环节
11.1.2积分环节
11.1.3微分环节
11.1.4惯性环节
11.1.5比例积分环节
11.1.6比例微分环节
11.2典型二阶系统仿真
11.2.1频率固定阻尼变化情况
11.2.2阻尼固定频率变化情况
11.3创新案例
第12章系统稳定性及稳态误差仿真与分析
12.1稳定性仿真与分析
12.1.1开环增益与闭环系统
12.1.2开环增益值对系统稳定性的影响
12.2稳态误差仿真与分析
12.2.1稳态误差的概念
12.2.2稳态误差仿真实例
12.3创新案例
第13章串联超前、滞后校正仿真与设计
13.1超前校正分析与仿真
13.1.1超前校正原理
13.1.2串联超前校正设计
13.2滞后校正分析与仿真
13.2.1滞后校正原理
13.2.2串联滞后校正
13.3创新案例
第14章PID控制器参数仿真与设计
14.1PID控制器介绍
14.2PID试凑原则
14.3PID控制器仿真案例
14.4创新案例
第15章非线性系统仿真与分析
微课视频22分钟
15.1Simulink非线性模块
15.1.1时变系统仿真
15.1.2多值非线性环节仿真
15.2非线性系统的极限环仿真研究
15.3计算机控制系统仿真
15.4创新案例
第四篇典型控制系统实验
第16章直流电机的控制系统分析与设计
微课视频37分钟
16.1直流电机系统模型
16.1.1直流电机电压速度模型
16.1.2直流电机电压位置模型
16.2直流电机系统时域分析
16.2.1一阶闭环系统时域分析
16.2.2二阶闭环系统时域分析
16.2.3系统稳态误差分析
16.3直流电机系统频域分析
16.4直流电机伺服系统双闭环控制器设计
16.5直流电机二阶系统的超前补偿器设计
16.6参考实验步骤
第17章旋转倒立摆的控制系统分析与设计
17.1旋转倒立摆数学模型
17.1.1稳摆控制数学模型
17.1.2起摆控制数学模型
17.2旋转倒立摆稳摆控制
17.3旋转倒立摆起摆控制
17.3.1能量控制
17.3.2混合控制
17.4旋转摆LQR控制器设计
17.5参考实验步骤
第五篇项目制控制系统设计案例
第18章垃圾分拣系统设计
微课视频16分钟
18.1项目背景
18.2项目任务
18.3系统结构
18.3.1硬件设备选型
18.3.2系统软件模型
18.4项目实施过程
18.4.1项目制创新性实验参考流程
18.4.2设计要点和创新点
第19章平衡球传递系统设计
19.1项目背景
19.2项目任务
19.3系统设计
19.3.1机械结构设计
19.3.2视觉位移检测模型
19.3.3单体平衡球控制系统设计
19.3.4传递协作机制设计
19.3.5平衡球传递系统控制器设计
19.4项目实施过程
19.4.1项目制创新性实验参考流程
19.4.2设计要点和创新点

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