计算机仿真技术与CAD_基于MATLAB的控制系统(第3版).pdf

书 书 书普通高等教育“十一五”国家级规划教材自动化专业精品教材优秀畅销书计算机仿真技术与C A D 基于MA T L A B的控制系统（第3版）李国勇 主 编程永强 副主编内容简介本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。全书全面论述控制系统计算机仿真的基本概念和原理，系统介绍了当前国际控制界最为流行的面向工程与科学计算的高级语言M A T L A B及其动态仿真集成环境Si m ul i nk，并以最新版M A T L A B/Si m ul i nk为平台，详细阐述控制系统的数学模型及其转换、连续系统和离散系统的仿真方法、控制系统的计算机辅助分析与设计；最后特别介绍基于图形界面的M A T L A B工具箱的线性和非线性控制系统设计方法。本书取材先进实用，讲解深入浅出，各章均有大量的例题，并提供了相应的仿真程序，便于读者掌握和巩固所学知识。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本科生和研究生教材，也可作为从事自动控制及相关专业技术人员的参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（C I P）数据计算机仿真技术与C A D：基于M A T L A B的控制系统/李国勇主编.3版.北京：电子工业出版社，2012.2自动化专业精品教材：优秀畅销书I SB N978-7-121-15342-6.计 .李.控制系统-计算机仿真-软件包，M A T L A B-高等学校-教材.T P 273中国版本图书馆C I P数据核字（2011）第248270号责任编辑：韩同平 特约编辑：李佩乾印刷：装订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编：100036开 本：787 1092 1/16 印张：21.25 字数：550千字印 次：2012年2月第1次印刷印 数：4 000册 定价：39.80元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至z l t s phe i.c o m.c n，盗版侵权举报请发邮件至dbqqphe i.c o m.c n。服务热线：（010）88258888。第3版前言本书自2003年9月初版和2008年1月再版以来，深得广大读者的关心和支持，先后重印10多次，被国内多所大学选做教材。并入选普通高等教育“十一五”国家级教材规划。这次修订在保持本书内容系统、实用、易读的特点，以及框架结构基本不变的基础上，充分考虑能适应新形式下计算机仿真技术类课程教学和适用于不同层次院校的需要，体现宽口径专业教育思想，反映先进的技术水平，强调教学实践的重要性，有利于学生自主学习和动手实践能力的培养，适应卓越工程师人才培养的要求。本书具有如下特点：（1）内容先进、符合规范本书既考虑内容的先进性，又兼顾教材内容的稳定性。根据教育部高等学校自动化及其它电气信息类专业的专业规范和目前最新版本M A T L A B 7.x为基础来进行叙述。但同时排除了过渡性很强的内容使得本书的内容对更高版本的环境仍可完全适用。（2）内容全面、结构合理全书结构贯穿一条主线，以M A T L A B/Si m ul i nk为平台，从系统建模、系统仿真，到系统分析和系统设计，将M A T L A B/Si m ul i nk应用技术与控制理论有机地结合起来。本书内容涉及面广，几乎包括了计算机仿真、控制系统计算机辅助分析与设计、M A T L A B和Si m ul i nk的所有基本内容和使用方法，但各部分内容力求精而简。各章均配有适当的例题和习题，并提供了相应的用M A T L A B编写的仿真程序。（3）便于教学、方便用户本书既考虑了课堂教学使用，又兼顾了查阅功能。本书在叙述M A T L A B通用功能时，对内容是精心挑选的，但在书后的索引中罗列了通用功能的几乎全部指令，以备读者查阅需要。面对M A T L A B7.x和M A T L A B6.x部分功能的较大变化，本书第3版仍然馔写了M A T L A B7.5和M A T L A B6.5两个不同经典版本的内容，以满足不同读者的需求。因为随着M A T L A B的迅速变化，尽管目前最新版本M A T L A B7.13（R 2011b）与版本M A T L A B7.5（R 2007b）相比，其内容急剧扩充，但就其本教材所涉及的内容而言，它们并无本质性变化。另外，最新版本安装程序大，且运行速度慢，尤其是启动初始化时特慢。由于M A T L A B 6.5占用空间小，启动速度快，运行时间短，且功能已满足一般使用者和教学大纲的要求，故它仍为当前较为流行的教学版本。本教材适用学时数为32 48（2 3学分），各章节编排具有相对的独立性，便于教师和学生取舍，便于不同层次院校的不同专业选用。本书由李国勇主编，程永强副主编。全书共11章，第0章由韩念琛编写；第1章由杨丽娟编写；第2章和第3章由郑晋平编写；第4章由郭咏梅编写；第5章由郭红戈编写；第6章、第8章和第9章由李国勇编写；第7章由韩晓霞编写；第10章由彭宏丽编写；附录A由赵山川编写；附录B由赵润章编写；其余部分由刘笑达编写。全书由李国勇和程永强整理定稿。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本科生和研究生教材。鉴于本书的通用性和实用性教强，故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。由于作者水平有限，书中仍难免有遗漏与不当之处，故恳请有关专家、同行和广大读者批评指正。编 者目 录第0章 绪论（1）0.1 仿真技术简介（1）0.2 计算机仿真技术的发展概况（3）0.3 计算机仿真技术的应用（4）0.4 控制系统计算机辅助设计的主要内容及其应用（5）0.5 基于M A T L A B的控制系统仿真的现状（6）习题（7）第1章 仿真软件 MA T L A B（8）1.1 M A T L A B的功能特点（8）1.2 M A T L A B的基本操作（12）1.3 M A T L A B的控制语句（19）1.3.1 循环语句（19）1.3.2 程序流控制语句（20）1.3.3 条件转移语句（21）1.4 M A T L A B的绘图功能（23）1.4.1 二维图形（23）1.4.2 三维图形（28）1.4.3 图像处理（30）1.5 M A T L A B的数值运算（31）1.5.1 矩阵运算（31）1.5.2 向量运算（40）1.5.3 关系和逻辑运算（42）1.5.4 多项式运算（43）1.5.5 数据分析（47）1.5.6 函数极值（49）1.5.7 代数方程求解（50）1.5.8 微分方程求解（51）1.5.9 函数积分（52）1.6 M A T L A B的符号运算（53）1.6.1 符号表达式的生成（54）1.6.2 符号表达式的基本运算（55）1.6.3 符号表达式的微积分（57）1.6.4 符号表达式的变换（60）1.6.5 符号表达式的求解（61）1.7 M A T L A B的文件I/O（63）1.7.1 处理二进制文件（63）1.7.2 处理文本文件（66）1.8 M A T L A B的图形界面（67）1.9 M A T L A B编译器（69）1.9.1 创建M E X文件（69）1.9.2 创建E X E文件（71）本章小结（72）习题（73）第2章 控制系统的数学模型及其转换（74）2.1 线性系统数学模型的基本描述方法（74）2.2 系统数学模型间的相互转换（78）2.3 系统模型的连接（84）2.4 典型系统的生成（91）2.5 系统的离散化和连续化（93）2.6 系统的特性值（95）本章小结（96）习题（96）第3章 连续系统的数字仿真（98）3.1 数值积分法（98）3.1.1 欧拉法（98）3.1.2 梯形法（99）3.1.3 预估-校正法（99）3.1.4 龙格-库塔法（99）3.1.5 关于仿真数值积分法的几点讨论（101）3.2 面向系统传递函数的仿真（102）3.3 面向系统结构图的仿真（104）3.3.1 典型环节的确定（104）3.3.2 连接矩阵（105）3.3.3 确定系统的状态方程（106）3.3.4 面向结构图的数字仿真程序（107）3.4 连续系统的快速仿真（108）3.4.1 增广矩阵法的基本原理（109）3.4.2 典型输入函数的增广矩阵（109）本章小结（111）习题（111）第4章 连续系统按环节离散化的数字仿真（112）4.1 连续系统的离散化（112）4.2 典型环节的离散系数及其差分方程（113）4.3 非线性系统的数字仿真方法（115）4.4 连续系统按环节离散化的数字仿真程序（117）本章小结（120）习题（120）第5章 采样控制系统的数字仿真（122）5.1 采样控制系统（122）5.2 模拟调节器的数字化仿真方法（122）5.3 采样控制系统的数字仿真程序（123）5.3.1 数字控制器的程序实现（124）5.3.2 连续部分的程序实现（124）5.3.3 程序框图及仿真程序（125）5.4 关于纯滞后环节的数字仿真（127）本章小结（128）习题（128）第6章 动态仿真集成环境 S i mu l i n k（130）6.1 Si m ul i nk简介（130）6.1.1 Si m ul i nk的启动（130）6.1.2 Si m ul i nk库浏览窗口的功能菜单（131）6.1.3 仿真模块集（131）6.2 模型的构造（145）6.2.1 模型编辑窗口（145）6.2.2 对象的选定（147）6.2.3 模块的操作（148）6.2.4 模块间的连线（149）6.2.5 模型的保存（149）6.2.6 模块名字的处理（150）6.2.7 模块内部参数的修改（151）6.2.8 模块的标量扩展（151）6.3 连续系统的数字仿真（152）6.3.1 利用Si m ul i nk菜单命令进行仿真（152）6.3.2 仿真结果分析（158）6.3.3 利用M A T L A B的指令操作方式进行仿真（162）6.3.4 模块参数的动态交换（164）6.3.5 Si m ul i nk调试器（166）6.4 离散系统的数字仿真（167）6.5 仿真系统的线性化模型（170）6.6 创建子系统（174）6.7 封装编辑器（176）6.7.1 参数（P a r a m e t e r s）页面（176）6.7.2 图标（I c o n）页面（178）6.7.3 初始化（I ni t i a l i z a t i o n）页面（180）6.7.4 描述（D o c um e nt a t i o n）页面（180）6.7.5 功能按钮（180）6.8 条件子系统（182）本章小结（187）习题（187）第7章 控制系统的计算机辅助分析（189）7.1 控制系统的稳定性分析（189）7.2 控制系统的时域分析（192）7.3 根轨迹分析（199）7.4 控制系统的频域分析（202）7.5 系统的能控性和能观测性分析（214）7.5.1 系统的能控性和能观测性（214）7.5.2 将系统按能控和不能控进行分解（216）7.5.3 将系统按能观测性和不能观测性进行分解（216）7.6 系统模型的降阶（217）7.6.1 平衡实现（217）7.6.2 模型降阶（218）本章小结（220）习题（220）第8章 控制系统的计算机辅助设计（222）8.1 频率法的串联校正（222）8.1.1 基于频率响应法的串联超前校正（222）8.1.2 基于频率响应法的串联滞后校正（225）8.1.3 基于频率响应法的串联滞后-超前校正（228）8.2 状态反馈和状态观测器的设计（231）8.2.1 状态反馈（232）8.2.2 状态观测器（234）8.2.3 带状态观测器的状态反馈系统（238）8.2.4 离散系统的极点配置和状态观测器（239）8