《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》

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MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)

《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》曾荣获“第三届中国大学出版社图书奖优秀教材奖二等奖”和“2016年陕西省普通高等学校优秀教材二等奖”。

《MATLAB与控制系统仿真实践（第3版）》一书中内容的讲解通俗易懂，目前已经被国内100多家高校的老师选为教材。随书配有课件、程序源代码、实验教材的电子版、综合试题集，相关讲解视频免费放在MATLAB中文论坛上供读者学习使用。

内容简介

《MATLAB与控制系统仿真实践（第3版）》一书以MATLABR2015b为仿真平台，以清新、简洁的风格介绍了MATLAB语言基础及基于MATLAB的控制系统仿真。《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》在结构上包括上下两篇共17章。上篇介绍MATLAB语言基础；为满足新的教学需求，还加入了MATLAB/Simulink与开源电子设计平台Arduino的交互应用，共8章。下篇介绍控制系统的MATLAB仿真，并提供了两个课程设计案例供学习参考，共9章。

《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》结构清晰，内容翔实，图文并茂，以丰富的实例突出实践性，通过紧密联系实际突出应用性。

《MATLAB与控制系统仿真实践（第3版）》一书可作为自动控制等相关专业的教学参考用书，也可作为相关领域工程技术人员和研究人员的参考资料。书中MATLAB语言的介绍较为全面，可供MATLAB语言入门者学习参考。书中所给综合实例则对相关课程设计、毕业设计等有重要参考价值。

作者简介

目录

上篇MATLAB/Simulink基础

第1章MATLAB环境认识与操作3

1.1MATLAB环境认识3

1.1.1命令窗口4

1.1.2命令历史记录(CommandHistory)窗口6

1.1.3工作空间(Workspace)窗口7

1.1.4MATLAB的帮助使用9

1.1.5图形窗口12

1.1.6编辑/调试窗口13

1.2MATLABNotebook及其使用14

1.2.1MATLABNotebook的启动14

1.2.2Notebook的菜单命令15

1.2.3输出单元的格式控制15

1.2.4使用Mbook模板的技巧16

本章小结16

第2章MATLAB语言基础17

2.1MATLAB语言的常量与变量17

2.1.1MATLAB语言的常量17

2.1.2MATLAB语言的变量18

2.2MATLAB语言的运算符19

2.2.1算术运算符19

2.2.2关系运算符19

2.2.3逻辑运算符19

2.3MATLAB语言的数据类型20

2.3.1MATLAB语言的数据类型概述20

2.3.2稀疏矩阵20

2.3.3单元数组24

2.3.4结构数组27

2.4MATLAB语言的基本语句结构30

2.4.1直接赋值语句30

2.4.2调用函数语句31

本章小结31

第3章MATLAB的数值运算与符号运算基础32

3.1数组与矩阵的基本操作32

3.1.1数组与矩阵的输入32

3.1.2数组与矩阵元素的操作36

3.1.3数组与矩阵的输出38

3.2MATLAB的基本数值运算40

3.2.1算术运算40

3.2.2关系运算44

3.2.3逻辑运算45

3.2.4运算优先级47

3.3MATLAB的基本符号运算47

3.3.1符号运算基本函数48

3.3.2符号代数方程和微分方程的求解49

3.3.3符号微积分运算52

3.3.4Laplace变换及其反变换、Z变换及其反变换53

3.3.5MuPADNotebook简介55

本章小结56

第4章MATLAB语言的程序设计57

4.1MATLAB语言的流程结构57

4.1.1if,else和elseif组成的条件转移结构57

4.1.2switch，case和otherwise组成的开关结构58

4.1.3while/for循环结构58

4.1.4try和catch组成的试探结构59

4.1.5MATLAB程序设计举例60

4.2MATLAB函数的编写63

4.2.1MATLAB函数的基本结构64

4.2.2MATLAB函数编写举例66

4.3MATLAB程序设计中应注意的问题69

本章小结70

第5章MATLAB语言的绘图基础71

5.1二维图形的绘制71

5.1.1绘制二维图形的基本函数及示例71

5.1.2图形的修饰及示例73

5.1.3多图绘制函数及示例78

5.1.4特殊应用二维图形的绘制83

5.2三维图形的绘制85

5.2.1三维图形绘制函数85

5.2.2三维图形绘制举例85

5.3图形的图形化编辑87

5.4符号函数绘制图形88

5.4.1符号函数绘制图形的函数及示例88

5.4.2符号函数的图形化绘制方式89

本章小结90

第6章MATLABGUI程序设计初步91

6.1GUI设计工具GUIDE简介91

6.1.1GUIDE的启动91

6.1.2GUI的创建91

6.2GUI程序设计示例93

6.2.1“HelloWorld”程序的设计93

6.2.2控制系统典型环节的演示程序95

本章小结99

第7章MATLAB的仿真集成环境——Simulink100

7.1Simulink概述100

7.2Simulink的基本界面操作100

7.3Simulink的功能模块及其操作103

7.3.1Simulink的功能模块103

7.3.2功能模块的基本操作109

7.3.3功能模块的连接操作111

7.4Simulink仿真环境的设置112

7.5子系统及封装技术113

7.5.1子系统的建立114

7.5.2子系统的封装115

7.6用Simulink建立系统模型示例118

7.7Simulink的高级应用——S函数的编写121

7.7.1S函数的工作原理122

7.7.2S函数的设计实例127

本章小结133

第8章MATLAB/Simulink与Arduino交互控制134

8.1Arduino简介134

8.1.1Arduino及其特点134

8.1.2Arduino硬件资源135

8.1.3Arduino开发环境136

8.1.4Arduino开发举例137

8.2MATLAB/Simulink对Arduino的开发支持140

8.2.1MATLAB/Simulink支持包的安装140

8.2.2MATLAB对Arduino的支持(ArduinoSupportfromMATLAB)141

8.2.3Simulink对Arduino的支持(ArduinoSupportfromSimulink)141

8.3MATLAB/Simulink与Arduino交互控制举例143

8.3.1MATLAB与Arduino交互控制举例143

8.3.2Simulink与Arduino交互控制举例146

本章小结149

下篇控制系统的MATLAB仿真

第9章自动控制及其仿真概述153

9.1自动控制系统概述153

9.1.1自动控制系统的基本形式及特点153

9.1.2自动控制系统的分类154

9.1.3对自动控制系统的要求及性能评价154

9.2控制系统仿真概述154

9.2.1仿真的基本概念154

9.2.2仿真的不同分类155

9.2.3仿真技术的应用及发展156

9.2.4计算机仿真的要素及基本步骤157

9.2.5控制系统仿真软件158

本章小结158

第10章基于MATLAB的控制系统数学建模159

10.1控制系统的传递函数模型159

10.1.1系统传递函数模型简述159

10.1.2传递函数的MATLAB相关函数160

10.1.3建立传递函数模型实例161

10.2控制系统的零极点函数模型164

10.2.1零极点函数模型简述164

10.2.2零极点函数的MATLAB相关函数165

10.2.3建立零极点函数模型实例165

10.3控制系统的状态空间函数模型169

10.3.1状态空间函数模型简述169

10.3.2状态空间函数的MATLAB相关函数169

10.3.3建立状态空间函数模型实例170

10.4系统模型之间的转换172

10.4.1系统模型转换的MATLAB相关函数172

10.4.2系统模型之间转换实例173

10.5方框图模型的连接化简178

10.5.1方框图模型的连接化简简述178

10.5.2系统模型连接化简的MATLAB相关函数180

10.5.3系统模型连接化简实例180

10.6Simulink图形化系统建模实例184

本章小结185

第11章控制系统的稳定性分析186

11.1系统稳定性的MATLAB直接判定187

11.1.1MATLAB直接判定的相关函数187

11.1.2MATLAB直接判定实例187

11.2系统稳定性的MATLAB图形化判定190

11.2.1MATLAB图形化判定的相关函数190

11.2.2MATLAB图形化判定实例190

11.3MATLABLTIViewer稳定性判定实例192

本章小结195

第12章控制系统的时域分析196

12.1控制系统的动态性能指标分析196

12.1.1控制系统的动态性能指标196

12.1.2控制系统动态性能指标MATLAB求取实例197

12.2控制系统的稳态性能指标分析204

12.2.1系统的稳态性能指标204

12.2.2控制系统稳态性能指标MATLAB求取实例204

12.3MATLAB时域响应仿真的典型函数应用207

12.3.1MATLAB时域响应仿真的典型函数207

12.3.2MATLAB时域响应仿真的典型函数应用实例207

12.4MATLAB/Simulink图形化时域分析212

12.4.1MATLABLTIViewer时域分析实例212

12.4.2Simulink时域分析实例215

本章小结217

第13章控制系统的根轨迹分析与校正218

13.1控制系统的根轨迹法分析220

13.1.1MATLAB根轨迹分析的相关函数220

13.1.2MATLAB根轨迹分析实例220

13.2控制系统的根轨迹法校正233

13.2.1根轨迹法超前校正及基于MATLAB的实例234

13.2.2根轨迹法滞后校正及基于MATLAB的实例238

13.3MATLAB图形化根轨迹法分析与设计242

13.3.1MATLAB图形化根轨迹法分析与设计工具rltool242

13.3.2基于图形化工具rltool的系统分析与设计实例244

本章小结246

第14章控制系统的频域分析与校正247

14.1控制系统的频域分析248

14.1.1频率特性及其表示248

14.1.2MATLAB频域分析的相关函数248

14.1.3MATLAB频域分析实例249

14.2基于频域法的控制系统稳定性能分析258

14.2.1频域法的稳定性判定和稳定裕度概述258

14.2.2基于频域法的控制系统稳定性判定相关函数259

14.2.3MATLAB频域法稳定性判定实例260

14.3控制系统的频域法校正266

14.3.1频域法超前校正及基于MATLAB的实例266

14.3.2频域法滞后校正及基于MATLAB的实例271

14.3.3频域法滞后超前校正及基于MATLAB的实例276

本章小结282

第15章控制系统的PID控制器设计283

15.1PID控制器概述283

15.2PID控制器作用分析284

15.2.1比例控制作用举例分析284

15.2.2比例微分控制作用举例分析285

15.2.3积分控制作用举例分析288

15.2.4比例积分控制作用举例分析290

15.2.5比例积分微分控制作用举例分析291

15.3PID控制器设计举例295

15.3.1PID控制器参数整定方法295

15.3.2PID控制器设计举例296

本章小结300

第16章非线性控制系统分析301

16.1非线性系统概述301

16.2相平面法302

16.2.1相平面法概述302

16.2.2基于MATLAB的相轨迹图绘制示例302

16.3描述函数法304

16.3.1描述函数法概述304

16.3.2基于MATLAB的描述函数法非线性系统分析示例305

本章小结307

第17章课程设计综合实例308

17.1课程设计作品1——系统的滞后超前频域法校正308

17.1.1设计目的308

17.1.2设计任务308

17.1.3具体要求308

17.1.4设计原理概述308

17.1.5设计方案及分析309

17.1.6结束语320

17.1.7参考文献320

17.2课程设计作品2——系统的根轨迹法超前校正320

17.2.1设计目的320

17.2.2设计任务321

17.2.3具体要求321

17.2.4设计原理及EDA工具选择321

17.2.5系统校正及结果分析323

17.2.6结束语328

17.2.7参考文献328

前言/序言

第3版前言

MATLAB被称为TheLanguageofTechnicalComputing，它面向理工科不同领域，功能强大，使用方便，而更大的优点在于它的高度开放性。正因如此，MATLAB在理工多个学科的仿真中成为首选工具。作者结合“MATLAB语言与控制系统仿真”的教学实践与研究成果，以MATLABR2015b为系统仿真平台，在《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》前一版的基础上进行了完善。

本版在结构上仍与前两版相同，但略作调整。上篇为MATLAB语言基础，共8章；下篇为控制系统的MATLAB仿真，共9章。

上篇主要内容有：MATLAB环境认识与操作；MATLAB语言数据类型和运算符等基础知识；MATLAB的数学运算与符号运算；MATLAB语言的程序设计；MATLAB语言的绘图基础；基于GUI设计工具GUIDE的MATLABGUI程序设计；MATLAB仿真集成环境——Simulink；MATLAB/Simulink与开源电子设计平台Arduino的交互控制。为控制篇幅，去掉了原第2版中的“MATLAB的混合编程初步”一章，但仍会将该章节的内容以二维码扫描下载的形式给出，以供学习参考。

下篇主要内容有：自动控制及其仿真概述；基于MATLAB的控制系统数学建模；控制系统的稳定性分析；控制系统的时域分析；控制系统的根轨迹分析与校正；控制系统的频域分析与校正；控制系统的PID控制器设计；非线性控制系统分析。各章的原理要点起提纲作用，也供回顾之用；同时对所使用的MATLAB函数给出简明用法说明。最后一章以两个课程设计综合实例演示了实践教学中MATLAB的系统仿真应用。

《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》仍保持原有特点，即适当扩展介绍MATLAB、以丰富的实例突出实践、紧密联系实际突出应用。值得说明的是，根据作者近几年创客教育的实践认知，专门介绍了MATLAB/Simulink与Arduino的交互控制，希望有助于提升学习者的实践与创新能力。

作者感谢为《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》写作与出版提供了帮助的所有人。本次改版，还要感谢东北大学薛定宇教授的鼓励，再次感谢北京航空航天大学出版社的陈守平编辑，感谢妻子马泓波博士、儿子赵沛然的全力支持。同时，感谢学生王超、马霏、尚秋燕、王平、马宇娟、穆童杰、白嘉庆、耿锐、吴茜、王怡芮、贾凯婷、丁庭斌、赵亚峰、师丽娜、王博伟、王垚垚、蔡媛媛、刘海燕等在验证程序、校对文字方面所做的工作。《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》有幸获2013年第三届中国大学出版社图书奖优秀教材奖二等奖、2016年陕西省普通高等学校优秀教材二等奖，作者也感谢所有读者的厚爱!

《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》配有电子课件、实验教材电子版、综合试题集，仅供订购教材的教师使用，索取邮箱goodtextbook@126.com，联系电话01082317036。《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》为读者免费提供程序源代码，以二维码的形式印在扉页及前言后，请扫描二维码下载。读者也可通过网址http://pan.baidu.com/s/1i4F3729从“百度云”下载该源代码。

《MATLAB与控制系统仿真实践(第3版)》在MATLAB中文论坛设有专门的在线交流版块，相关链接如下：

“读者作者”交流版块：http://www.ilovematlab.cn/forum-156-1.html

勘误地址：http://www.ilovematlab.cn/thread-144915-1-1.html

源程序下载地址：http://www.ilovematlab.cn/thread-481362-1-1.html

视频下载地址：http://www.ilovematlab.cn/thread-104230-1-1.html

书码验证地址：http://www.ilovematlab.cn/book.php

由于作者水平有限，不足之处，还请批评指正。

作者

2016年8月28日