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序
目次
商品簡介
本書從應用角度出發，全面系統地介紹了MATLAB軟件及其在自動控制中的應用。全書通過大量實際應用案例詳細闡述利用MATLAB進行控制系統分析與設計的方法。 全書內容精練、實用，案例典型，圖文並茂，是教學團隊多年實踐教學成果的總結。
序
前 言
“控制系統仿真”課程是高校自動化及其相關專業本科生的一門重要專業課程，是在學習控制系統原理的基礎上使用MATLAB軟件進行模型建立、仿真設計、實驗驗證和分析的綜合實踐課程。“控制系統仿真”課程的任務是使學生獲得控制系統仿真技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，加深學生對自動控制理論的理解，拓寬學生對控制系統仿真及其應用軟件的知識面，為深入學習後續課程及從事控制系統設計、分析的實際工作打下基礎。
“控制系統仿真”課程的內容包含控制理論、計算數學和計算機相關知識，而MATLAB軟件是分析和設計各類複雜系統的強有力工具。學生在學習了“自動控制原理”“現代控制理論”等專業課程的基礎上，需要開設一門綜合性、實踐性較強的課程。其目的是使學生在深入學習控制理論的基礎上，掌握一種能夠方便地對系統進行分析與設計的工具，以便在控制系統的研究中減少煩瑣的驗算，提高解決專業問題的能力，提高設計效率和質量。
本書依循“翻轉課堂”的教學思路，嘗試融入多項教學方法，減少了教師講授的時間，大幅度提高了學生自主學習和實際動手的效率，教師能夠有更多的時間與學生進行交流和討論。本書及教學資料在作者所在的高校進行了試驗，效果良好。教師可以採用重點講授、協作指導和問題討論的形式滿足學生的需要，同時促進學生的個性化學習，使學生通過自主認知、理論回顧和實踐獲得更真實、有效的學習。
本書和所提供的輔助教學資源能夠滿足“翻轉課堂”式教學方法所需要的基本要求。
1. 教學信息更加清晰
教師可以依照本書的內容和順序設計教學計劃。除教材中的內容以外，本書還提供實例程序、教學PPT、演示視頻等資源。課堂開始前教師可以發佈本次課程需要的教學資料和實踐要求，如教學PPT、演示視頻、各章的要求和需要完成的考查題目等內容，引導學生按照自己的理解情況安排學習進度，以需要掌握的知識重點為主線、以考查題目為任務導向，以學生個體為教學單元邊學、邊練、邊討論，通過教師個性化的有效輔導全面提升學習的效果。
2. 重新構建學習方式
第一階段，學生積極利用課堂時間瞭解本章所需要掌握的知識重點，通過閱讀教材內容、查看課程所提供的課件和實例程序資料、觀看演示視頻，進而完成每章指定的考查題目；
第二階段，學生將自行完成的考查題目向教師或教學助理進行講解和演示，教師則分別針對學生的具體情況和具體問題進行提問、解答和討論；
第三階段，學生在課堂外完成教師安排或教材中要求的課後練習題。
3. 演示視頻針對性強
演示視頻時間基本控制在3～10min內，內容針對性強，都是各章綜合性較強的操作演示或設計方法展示，包含完整的知識點講解、例題分析與練習，方便學生在閱讀教材的同時觀看視頻，提升學生自主學習的能力。
4. 課程要求和考核方式
課程要求分為課前、課中和課後三個環節的要求。
（1）課前，複習自動控制原理的相關基礎知識，複習C語言等其他已經學習的高級編程語言及程序設計知識，每節課前預習教材內容；
（2）課中，按照教師給定的考查題目邊學邊練，完成每章後的練習題，在指定的答疑和討論時間段內與教師或助教積極互動；
（3）課後，獨立完成部分課後練習題。
採用課堂考查、實驗成果檢查與上機考核綜合考核方式，實現綜合考查學生的學習效果。
本書以MATLAB為主要工具，按照控制理論的內容體系，依次展開學習，主要任務分為MATLAB基礎和基於MATLAB的控制系統仿真兩大部分。
“控制系統仿真”課程是高校自動化及其相關專業本科生的一門重要專業課程，是在學習控制系統原理的基礎上使用MATLAB軟件進行模型建立、仿真設計、實驗驗證和分析的綜合實踐課程。“控制系統仿真”課程的任務是使學生獲得控制系統仿真技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養學生分析問題和解決問題的能力，加深學生對自動控制理論的理解，拓寬學生對控制系統仿真及其應用軟件的知識面，為深入學習後續課程及從事控制系統設計、分析的實際工作打下基礎。
“控制系統仿真”課程的內容包含控制理論、計算數學和計算機相關知識，而MATLAB軟件是分析和設計各類複雜系統的強有力工具。學生在學習了“自動控制原理”“現代控制理論”等專業課程的基礎上，需要開設一門綜合性、實踐性較強的課程。其目的是使學生在深入學習控制理論的基礎上，掌握一種能夠方便地對系統進行分析與設計的工具，以便在控制系統的研究中減少煩瑣的驗算，提高解決專業問題的能力，提高設計效率和質量。
本書依循“翻轉課堂”的教學思路，嘗試融入多項教學方法，減少了教師講授的時間，大幅度提高了學生自主學習和實際動手的效率，教師能夠有更多的時間與學生進行交流和討論。本書及教學資料在作者所在的高校進行了試驗，效果良好。教師可以採用重點講授、協作指導和問題討論的形式滿足學生的需要，同時促進學生的個性化學習，使學生通過自主認知、理論回顧和實踐獲得更真實、有效的學習。
本書和所提供的輔助教學資源能夠滿足“翻轉課堂”式教學方法所需要的基本要求。
1. 教學信息更加清晰
教師可以依照本書的內容和順序設計教學計劃。除教材中的內容以外，本書還提供實例程序、教學PPT、演示視頻等資源。課堂開始前教師可以發佈本次課程需要的教學資料和實踐要求，如教學PPT、演示視頻、各章的要求和需要完成的考查題目等內容，引導學生按照自己的理解情況安排學習進度，以需要掌握的知識重點為主線、以考查題目為任務導向，以學生個體為教學單元邊學、邊練、邊討論，通過教師個性化的有效輔導全面提升學習的效果。
2. 重新構建學習方式
第一階段，學生積極利用課堂時間瞭解本章所需要掌握的知識重點，通過閱讀教材內容、查看課程所提供的課件和實例程序資料、觀看演示視頻，進而完成每章指定的考查題目；
第二階段，學生將自行完成的考查題目向教師或教學助理進行講解和演示，教師則分別針對學生的具體情況和具體問題進行提問、解答和討論；
第三階段，學生在課堂外完成教師安排或教材中要求的課後練習題。
3. 演示視頻針對性強
演示視頻時間基本控制在3～10min內，內容針對性強，都是各章綜合性較強的操作演示或設計方法展示，包含完整的知識點講解、例題分析與練習，方便學生在閱讀教材的同時觀看視頻，提升學生自主學習的能力。
4. 課程要求和考核方式
課程要求分為課前、課中和課後三個環節的要求。
（1）課前，複習自動控制原理的相關基礎知識，複習C語言等其他已經學習的高級編程語言及程序設計知識，每節課前預習教材內容；
（2）課中，按照教師給定的考查題目邊學邊練，完成每章後的練習題，在指定的答疑和討論時間段內與教師或助教積極互動；
（3）課後，獨立完成部分課後練習題。
採用課堂考查、實驗成果檢查與上機考核綜合考核方式，實現綜合考查學生的學習效果。
本書以MATLAB為主要工具，按照控制理論的內容體系，依次展開學習，主要任務分為MATLAB基礎和基於MATLAB的控制系統仿真兩大部分。
目次
目 錄
緒論―教學與學習建議 - 1 -
第1章 控制系統仿真概述 - 4 -
1.1 系統仿真概述 - 4 -
1.2 MATLAB簡介 - 6 -
1.3 MATLAB基本操作 - 8 -
1.3.1 MATLAB R2014a的啟動 - 8 -
1.3.2 基本操作界面 - 8 -
1.4 MATLAB操作實例 - 12 -
課後習題1 - 14 -
第2章 MATLAB矩陣及其基本操作 - 15 -
2.1 矩陣及其操作 - 16 -
2.1.1 矩陣的創建 - 16 -
2.1.2 矩陣的屬性 - 17 -
2.1.3 創建特殊矩陣 - 17 -
2.1.4 矩陣操作 - 18 -
2.2 矩陣運算 - 19 -
2.2.1 矩陣加、減運算 - 19 -
2.2.2 矩陣的點運算 - 19 -
2.2.3 矩陣乘運算 - 20 -
2.2.4 矩陣的一些特殊運算 - 21 -
2.3 多維矩陣及其操作 - 22 -
2.3.1 通過指定索引把二維矩陣擴展為多維矩陣 - 22 -
2.3.2 使用內聯函數創建多維矩陣 - 23 -
2.3.3 使用cat函數進行鏈接創建 - 23 -
2.4 結構體和元胞數組 - 24 -
2.4.1 結構體的創建 - 24 -
2.4.2 元胞數組 - 26 -
2.5 字符串 - 28 -
2.6 關係運算 - 28 -
課後習題2 - 29 -
第3章 MATLAB數學運算基礎 - 30 -
3.1 矩陣的基本運算 - 31 -
3.1.1 矩陣的逆 - 31 -
3.1.2 矩陣的特徵值和特徵向量 - 32 -
3.2 線性方程組的求解方法 - 32 -
3.3 多項式運算 - 34 -
3.3.1 使用roots函數求多項式的根 - 34 -
3.3.2 使用conv函數進行多項式乘運算 - 35 -
3.3.3 使用deconv函數進行多項式除運算 - 35 -
3.3.4 多項式微分 - 36 -
3.4 多項式曲線擬合 - 36 -
3.5 數據統計 - 37 -
課後習題3 - 42 -
第4章 M文件與MATLAB編程基礎 - 43 -
4.1 MATLAB的M文件 - 43 -
4.1.1 M文件的創建和編輯 - 44 -
4.1.2 編輯器窗口說明 - 45 -
4.2 MATLAB控制語句 - 46 -
4.2.1 分支控制語句 - 46 -
4.2.2 循環控制語句 - 49 -
課後習題4 - 50 -
第5章 函數與外部數據操作 - 52 -
5.1 M文件（函數） - 52 -
5.1.1 函數類型 - 52 -
5.1.2 參數傳遞 - 55 -
5.2 外部數據操作 - 56 -
5.2.1 MATLAB的外部數據操作 - 57 -
5.2.2 使用窗口操作實現文件數據讀取 - 58 -
5.2.3 MATLAB程序中獲取用戶輸入數據 - 60 -
5.2.4 MATLAB程序中日期和時間的使用 - 61 -
課後習題5 - 62 -
第6章 MATLAB的繪圖及圖像處理 - 63 -
6.1 MATLAB的繪圖 - 63 -
6.1.1 二維圖形 - 65 -
6.1.2 三維圖形 - 79 -
6.2 MATLAB的圖像處理 - 86 -
6.2.1 顏色 - 86 -
6.2.2 光照效果 - 87 -
課後習題6 - 88 -
第7章 交互式仿真工具Simulink - 89 -
7.1 Simulink簡介 - 89 -
7.2 Simulink的模塊庫瀏覽界面 - 90 -
7.3 Simulink建模與仿真 - 95 -
7.3.1 Simulink建模與仿真的步驟 - 95 -
7.3.2 Simulink模塊的基本操作 - 96 -
7.3.3 Simulink仿真參數的設置 - 97 -
7.4 仿真結果的運行、觀察和調試 - 101 -
7.4.1 使用菜單運行仿真 - 102 -
7.4.2 使用命令進行仿真 - 102 -
7.4.3 觀察並分析仿真結果 - 104 -
7.4.4 仿真的調試方法 - 106 -
7.5 Simulink的自定義功能模塊 - 108 -
課後習題7 - 108 -
第8章 控制系統模型的定義 - 110 -
8.1 自動控制系統 - 111 -
8.1.1 開環控制與閉環控制 - 111 -
8.1.2 自動控制理論概要 - 112 -
8.1.3 自動控制系統中的術語和定義 - 112 -
8.2 控制系統仿真概述 - 113 -
8.2.1 建立數學模型的實驗方法簡介 - 113 -
8.2.2 建立數學模型的方法 - 113 -
8.2.3 控制系統模型引言 - 114 -
8.3 模型的描述、生成與封裝 - 114 -
8.3.1 傳遞函數模型的描述（tf模型） - 114 -
8.3.2 零極點模型的描述（zpk模型） - 116 -
8.3.3 狀態空間模型的描述（ss模型） - 117 -
8.3.4 線性定常系統LTI模型的生成 - 117 -
8.4 控制系統數學模型的轉換和連接 - 120 -
8.4.1 系統模型的轉換 - 120 -
8.4.2 系統模型的連接 - 122 -
課後習題8 - 125 -
第9章 控制系統的穩定性分析 - 127 -
9.1 控制系統的穩定性分析 - 128 -
9.1.1 直接判別法 - 129 -
9.1.2 繪製零極點圖進行判斷 - 130 -
9.2 繪製系統的響應曲線 - 131 -
9.2.1 階躍響應函數 - 132 -
9.2.2 脈衝響應函數 - 135 -
9.2.3 零輸入響應函數 - 137 -
9.2.4 輸入信號的產生及應用 - 139 -
9.2.5 使用Simulink實現時域響應分析 -140 -
課後習題9 - 143 -
第10章 控制系統的時域分析 - 144 -
10.1 系統的階躍響應分析 - 145 -
10.2 MATLAB系統分析工具LTI Viewer - 156 -
10.3 控制系統的穩態誤差 - 158 -
課後習題10 - 163 -
第11章 控制系統的根軌跡分析 - 165 -
11.1 根軌跡法基礎 - 166 -
11.1.1 分析的基本原理 - 166 -
11.1.2 使用MATLAB函數繪製根軌跡圖 - 169 -
11.2 根軌跡法分析系統 - 173 -
11.2.1 增加開環零極點對根軌跡的影響 - 173 -
11.2.2 利用根軌跡法分析系統的暫態特性 - 178 -
11.3 MATLAB在根軌跡分析中的綜合應用(rltool) - 179 -
11.3.1 圖形界面工具rltool - 179 -
11.3.2 綜合應用實例 - 182 -
課後習題11 - 185 -
第12章 控制系統的頻域分析 - 187 -
12.1 頻域分析法基礎 - 187 -
12.1.1 分析的基本原理 - 187 -
12.1.2 頻率響應和頻率特性 - 188 -
12.2 MATLAB頻域分析法―頻率特性圖 - 189 -
12.2.1 奈奎斯特圖的繪製 - 189 -
12.2.2 奈奎斯特圖判穩 - 190 -
12.2.3 伯德圖的繪製 - 192 -
12.3 系統的相對穩定性和穩定裕度 - 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獲取方法 - 195 -
課後習題12 - 197 -
第13章 PID控制器設計與應用 - 200 -
13.1 串聯校正與反饋校正 - 200 -
13.1.1 串聯校正 - 200 -
13.1.2 反饋校正 - 204 -
13.2 PID校正概述 - 205 -
13.3 PID控制器設計與參數整定 - 211 -
13.4 PID Tuner控制器設計 - 214 -
課後習題13 - 219 -
第14章 MATLAB圖形用戶界面GUI - 221 -
課後習題14 - 226 -
參 考 文 獻 - 227
緒論―教學與學習建議 - 1 -
第1章 控制系統仿真概述 - 4 -
1.1 系統仿真概述 - 4 -
1.2 MATLAB簡介 - 6 -
1.3 MATLAB基本操作 - 8 -
1.3.1 MATLAB R2014a的啟動 - 8 -
1.3.2 基本操作界面 - 8 -
1.4 MATLAB操作實例 - 12 -
課後習題1 - 14 -
第2章 MATLAB矩陣及其基本操作 - 15 -
2.1 矩陣及其操作 - 16 -
2.1.1 矩陣的創建 - 16 -
2.1.2 矩陣的屬性 - 17 -
2.1.3 創建特殊矩陣 - 17 -
2.1.4 矩陣操作 - 18 -
2.2 矩陣運算 - 19 -
2.2.1 矩陣加、減運算 - 19 -
2.2.2 矩陣的點運算 - 19 -
2.2.3 矩陣乘運算 - 20 -
2.2.4 矩陣的一些特殊運算 - 21 -
2.3 多維矩陣及其操作 - 22 -
2.3.1 通過指定索引把二維矩陣擴展為多維矩陣 - 22 -
2.3.2 使用內聯函數創建多維矩陣 - 23 -
2.3.3 使用cat函數進行鏈接創建 - 23 -
2.4 結構體和元胞數組 - 24 -
2.4.1 結構體的創建 - 24 -
2.4.2 元胞數組 - 26 -
2.5 字符串 - 28 -
2.6 關係運算 - 28 -
課後習題2 - 29 -
第3章 MATLAB數學運算基礎 - 30 -
3.1 矩陣的基本運算 - 31 -
3.1.1 矩陣的逆 - 31 -
3.1.2 矩陣的特徵值和特徵向量 - 32 -
3.2 線性方程組的求解方法 - 32 -
3.3 多項式運算 - 34 -
3.3.1 使用roots函數求多項式的根 - 34 -
3.3.2 使用conv函數進行多項式乘運算 - 35 -
3.3.3 使用deconv函數進行多項式除運算 - 35 -
3.3.4 多項式微分 - 36 -
3.4 多項式曲線擬合 - 36 -
3.5 數據統計 - 37 -
課後習題3 - 42 -
第4章 M文件與MATLAB編程基礎 - 43 -
4.1 MATLAB的M文件 - 43 -
4.1.1 M文件的創建和編輯 - 44 -
4.1.2 編輯器窗口說明 - 45 -
4.2 MATLAB控制語句 - 46 -
4.2.1 分支控制語句 - 46 -
4.2.2 循環控制語句 - 49 -
課後習題4 - 50 -
第5章 函數與外部數據操作 - 52 -
5.1 M文件（函數） - 52 -
5.1.1 函數類型 - 52 -
5.1.2 參數傳遞 - 55 -
5.2 外部數據操作 - 56 -
5.2.1 MATLAB的外部數據操作 - 57 -
5.2.2 使用窗口操作實現文件數據讀取 - 58 -
5.2.3 MATLAB程序中獲取用戶輸入數據 - 60 -
5.2.4 MATLAB程序中日期和時間的使用 - 61 -
課後習題5 - 62 -
第6章 MATLAB的繪圖及圖像處理 - 63 -
6.1 MATLAB的繪圖 - 63 -
6.1.1 二維圖形 - 65 -
6.1.2 三維圖形 - 79 -
6.2 MATLAB的圖像處理 - 86 -
6.2.1 顏色 - 86 -
6.2.2 光照效果 - 87 -
課後習題6 - 88 -
第7章 交互式仿真工具Simulink - 89 -
7.1 Simulink簡介 - 89 -
7.2 Simulink的模塊庫瀏覽界面 - 90 -
7.3 Simulink建模與仿真 - 95 -
7.3.1 Simulink建模與仿真的步驟 - 95 -
7.3.2 Simulink模塊的基本操作 - 96 -
7.3.3 Simulink仿真參數的設置 - 97 -
7.4 仿真結果的運行、觀察和調試 - 101 -
7.4.1 使用菜單運行仿真 - 102 -
7.4.2 使用命令進行仿真 - 102 -
7.4.3 觀察並分析仿真結果 - 104 -
7.4.4 仿真的調試方法 - 106 -
7.5 Simulink的自定義功能模塊 - 108 -
課後習題7 - 108 -
第8章 控制系統模型的定義 - 110 -
8.1 自動控制系統 - 111 -
8.1.1 開環控制與閉環控制 - 111 -
8.1.2 自動控制理論概要 - 112 -
8.1.3 自動控制系統中的術語和定義 - 112 -
8.2 控制系統仿真概述 - 113 -
8.2.1 建立數學模型的實驗方法簡介 - 113 -
8.2.2 建立數學模型的方法 - 113 -
8.2.3 控制系統模型引言 - 114 -
8.3 模型的描述、生成與封裝 - 114 -
8.3.1 傳遞函數模型的描述（tf模型） - 114 -
8.3.2 零極點模型的描述（zpk模型） - 116 -
8.3.3 狀態空間模型的描述（ss模型） - 117 -
8.3.4 線性定常系統LTI模型的生成 - 117 -
8.4 控制系統數學模型的轉換和連接 - 120 -
8.4.1 系統模型的轉換 - 120 -
8.4.2 系統模型的連接 - 122 -
課後習題8 - 125 -
第9章 控制系統的穩定性分析 - 127 -
9.1 控制系統的穩定性分析 - 128 -
9.1.1 直接判別法 - 129 -
9.1.2 繪製零極點圖進行判斷 - 130 -
9.2 繪製系統的響應曲線 - 131 -
9.2.1 階躍響應函數 - 132 -
9.2.2 脈衝響應函數 - 135 -
9.2.3 零輸入響應函數 - 137 -
9.2.4 輸入信號的產生及應用 - 139 -
9.2.5 使用Simulink實現時域響應分析 -140 -
課後習題9 - 143 -
第10章 控制系統的時域分析 - 144 -
10.1 系統的階躍響應分析 - 145 -
10.2 MATLAB系統分析工具LTI Viewer - 156 -
10.3 控制系統的穩態誤差 - 158 -
課後習題10 - 163 -
第11章 控制系統的根軌跡分析 - 165 -
11.1 根軌跡法基礎 - 166 -
11.1.1 分析的基本原理 - 166 -
11.1.2 使用MATLAB函數繪製根軌跡圖 - 169 -
11.2 根軌跡法分析系統 - 173 -
11.2.1 增加開環零極點對根軌跡的影響 - 173 -
11.2.2 利用根軌跡法分析系統的暫態特性 - 178 -
11.3 MATLAB在根軌跡分析中的綜合應用(rltool) - 179 -
11.3.1 圖形界面工具rltool - 179 -
11.3.2 綜合應用實例 - 182 -
課後習題11 - 185 -
第12章 控制系統的頻域分析 - 187 -
12.1 頻域分析法基礎 - 187 -
12.1.1 分析的基本原理 - 187 -
12.1.2 頻率響應和頻率特性 - 188 -
12.2 MATLAB頻域分析法―頻率特性圖 - 189 -
12.2.1 奈奎斯特圖的繪製 - 189 -
12.2.2 奈奎斯特圖判穩 - 190 -
12.2.3 伯德圖的繪製 - 192 -
12.3 系統的相對穩定性和穩定裕度 - 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獲取方法 - 195 -
課後習題12 - 197 -
第13章 PID控制器設計與應用 - 200 -
13.1 串聯校正與反饋校正 - 200 -
13.1.1 串聯校正 - 200 -
13.1.2 反饋校正 - 204 -
13.2 PID校正概述 - 205 -
13.3 PID控制器設計與參數整定 - 211 -
13.4 PID Tuner控制器設計 - 214 -
課後習題13 - 219 -
第14章 MATLAB圖形用戶界面GUI - 221 -
課後習題14 - 226 -
參 考 文 獻 - 227
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