控制系统数字仿真与CAD（第3版）

第3版前言

第一章概述1

第一节控制系统的实验方法1

一、解析法1

二、实验法1

三、仿真实验法2

第二节仿真实验的分类与性能比较2

一、按模型分类3

二、按计算机类型分类4

第三节系统、模型与数字仿真6

一、系统的组成与分类6

二、模型的建立及其重要性7

三、数字仿真的基本内容8

第四节控制系统CAD与数字仿真软件9

一、CAD技术的一般概念9

二、控制系统CAD的主要内容10

三、数字仿真软件10

第五节仿真技术的应用与发展16

一、仿真技术在工程中的应用16

二、应用仿真技术的重要意义17

三、仿真技术的发展趋势18

第六节问题与探究——虚拟现实与仿真

技术18

一、虚拟现实技术18

二、虚拟现实仿真技术22

三、基于虚拟样机的球棒控制系统仿真25

小结27

习题27

第二章控制系统的数学描述30

第一节控制系统的数学模型30

一、控制系统数学模型的表示形式30

二、数学模型的转换32

三、线性时不变系统的对象数据类型描述34

四、控制系统建模的基本方法35

第二节控制系统建模实例39

一、独轮自行车实物仿真问题39

二、龙门起重机运动控制问题42

三、水箱液位控制问题46

四、燃煤热水锅炉控制问题49

五、三相电压型PWM整流器系统控制

问题51

六、磁悬浮轴承运动控制问题56

第三节实现问题61

一、单变量系统的可控标准型实现61

二、控制系统的数字仿真实现63

第四节常微分方程数值解法63

一、数值求解的基本概念64

二、数值积分法65

三、关于数值积分法的几点讨论69

第五节数值算法中的“病态”问题72

一、“病态”常微分方程72

二、控制系统仿真中的“病态”问题74

三、“病态”系统的仿真方法75

第六节数字仿真中的“代数环”问题76

一、问题的提出76

二、“代数环”产生的条件77

三、消除“代数环”的方法78

第七节问题与探究——电力电子器件

建模问题81

一、问题提出81

二、建模机理81

三、问题探究84

小结85

习题86

第三章控制系统数字仿真的实现88

第一节控制系统的结构及其拓扑描述88

一、控制系统常见的典型结构形式88

二、控制系统的典型环节描述89

三、控制系统的连接矩阵90

第二节面向系统结构图的数字仿真92

一、典型闭环系统的数字仿真92

二、复杂连接的闭环系统数字仿真97

第三节环节的离散化与非线性系统的

数字仿真103

一、连续系统的离散化模型法103

二、非线性系统的数字仿真112

第四节计算机控制系统的数字仿真119

一、采样控制系统的数学描述120

二、采样控制系统的仿真方法123

三、采样控制系统仿真程序实现126

第五节问题与探究——一类非线性控制

系统数字仿真的效率问题132

一、问题提出132

二、问题分析133

三、几点讨论139

小结139

习题140

第四章控制系统CAD142

第一节概述142

第二节经典控制理论CAD143

一、控制系统固有特性分析143

二、控制系统的设计方法146

三、控制系统的优化设计154

第三节基于双闭环PID控制的一阶倒立

摆控制系统设计159

一、系统模型159

二、模型验证161

三、双闭环PID控制器设计165

四、仿真实验170

五、结论173

第四节现代控制理论CAD173

一、线性二次型最优控制器设计174

二、模型参考自适应控制系统设计182

第五节基于时间最优控制的起重机防

摆控制技术研究188

一、问题的提出188

二、时间最优控制189

三、系统建模190

四、模型验证190

五、时间最优控制策略192

六、仿真实验194

七、结论196

第六节问题与探究——“球车系统”的

建模与控制问题197

一、问题提出197

二、系统建模197

三、问题探究198

小结198

习题199

第五章数字仿真技术的综合应用202

第一节直流电动机双闭环调速系统设计

中的若干问题202

一、双闭环VM调速系统的目的202

二、关于积分调节器的饱和非线性问题203

三、关于ASR与ACR的工程设计问题203

四、双闭环VM调速系统的动态分析205

第二节数字PID调节器的鲁棒性设计

方法207

一、数字PID调节器的鲁棒性设计207

二、“高精度齿轮量仪”位置伺服系统

控制器设计209

第三节“水箱系统”液位控制的仿真

研究211

一、系统建模211

二、数字仿真211

三、结果分析211

第四节一阶倒立摆系统的双闭环模糊

控制方案212

一、引言212

二、模糊理论中的几个基本概念213

三、一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制214

四、仿真实验216

五、结论223

第五节基于单位功率因数的PWM整流

器控制系统设计223

一、引言223

二、滑模变结构控制224

三、系统建模与模型验证225

四、基于滑模变结构控制的PWM整流

器控制系统设计226

五、仿真实验230

六、结论234

第六节问题与探究——两轮电动车自平

衡控制问题234

一、问题提出234

二、系统建模236

三、问题探究237

小结238

习题238

参考文献2412100433B

在概述了仿真技术发展进程的基础上，以MATLAB语言为平台，系统地阐述了数字仿真技术的基本概念、原理与方法，概括了控制系统分析与设计中的基本内容，主要包括控制系统的实验方法、系统的数学描述与模型的建立、数字仿真的实现方法、控制系统CAD及其综合应用等。

仿真技术已成为现代工程师必须掌握的基本技能之一。而MATLAB语言的出现，使得数字仿真技术进入实质性的应用阶段。MATLAB计算功能强大、图形功能丰富、易学易用，已成为控制理论与控制工程、图像处理与识别及计算机仿真领域的一个有力工具。控制系统的建模、时域分析、频域分析、控制系统的校正与设计都离不开MATLAB的支持，图像图形的除噪、除雾处理，也离不开MATLAB的支持。

本书通过大量仿真实例，对MATLAB 7.0的功能、操作及其在控制系统和图像处理中的应用进行了阐述和讲解，书中的所有实例程序均经过验证和测试，是编者多年来教学和科研的结晶。本书共7章，第1章概述仿真技术的发展历史和发展趋势。第2章和第3章介绍MATLAB语言基础和控制系统的数学描述与建模，介绍常用的MATLAB基本命令，通过实例描述如何对控制系统进行建模。第4章结合自动控制理论的课程内容，介绍控制系统的时频域分析及校正设计。第5章描述如何运用SIMULINK对控制系统进行仿真，重点介绍了S函数的编写以及如何利用SIMULINK模型与S函数的结合，实现复杂系统的仿真。第6章介绍常用的图像处理命令，以及三个图像处理的仿真实例，包括数字水印版权保护系统、图像融合、雾环境下的图像增强处理等完整系统的仿真程序与实现过程。第7章介绍汽车电子控制系统的仿真实例。

本书的编写分工为：上海工程技术大学吴健珍为主编并编写第1章、第4～6章，罗晓编写第7章，陈剑雪编写第2、3章。上海工程技术大学张莉萍教授为主审。在本书的编写过程中，得到了学院领导和众多老师的支持与帮助，在此一并表示衷心感谢。

虽然编者力求精益求精，但由于水平有限，书中错误和疏漏之处在所难免，敬请广大读者和专家批评指正。

编者

2014年2月

目　录

前　言

第1 章　 控制系统仿真及工具软件概述 1

1. 1　 控制系统及仿真软件 1

1. 1. 1　 控制系统模型 1

1. 1. 2　 控制系统仿真 2

1. 1. 3　 MATLAB 的语言特点 3

1. 1. 4　 MATLAB 的控制产品 4

1. 2　 MATLAB 的操作与使用 5

1. 2. 1　 MATLAB 的工作空间 6

1. 2. 2　 MATLAB 的命令窗口 6

1. 2. 3　 MATLAB 的程序编辑器 6

1. 2. 4　 MATLAB 的帮助文件 7

1. 3　 数值计算与矩阵运算 10

1. 3. 1　 MATLAB 的数值类型 10

1. 3. 2　 矩阵运算 12

1. 3. 3　 符号运算 15

1. 4　 程序、 文件和函数 23

1. 4. 1　 M 文件编程 23

1. 4. 2　 常用的编程语句 26

1. 4. 3　 程序调试与诊断 30

本章小结 33

习题 33

第2 章　 控制系统的数学描述 34

2. 1　控制系统数学模型与控制工具箱

函数 34

2. 1. 1　 传递函数模型 34

2. 1. 2　 状态空间模型 42

2. 2　 控制系统模型的转换及连接 47

2. 2. 1　 模型转换函数 47

2. 2. 2　 模型连接与化简 51

2. 3　 控制系统建模工程实例 55

本章小结 62

习题 62

第3 章　 控制系统分析 63

3. 1　 控制系统的时域分析 63

3. 1. 1　 时域分析基础 63

3. 1. 2　 系统的稳态性能分析 64

3. 1. 3　 阶跃响应分析 65

3. 1. 4　 脉冲响应分析 70

3. 1. 5　 任意输入的时域响应分析 73

3. 1. 6　 控制系统时域分析综合实例 74

3. 2　 控制系统的根轨迹分析 75

3. 2. 1　 函数指令方式 75

3. 2. 2　 单输入单输出设计工具 82

3. 3　 控制系统的频域分析 91

3. 3. 1　 频率响应与 Nyquist 图 92

3. 3. 2　 伯德图分析 95

3. 3. 3　 控制系统频域分析综合实例 99

3. 3. 4　基于单输入单输出设计工具的控制

系统频域分析 101

3. 4　 控制系统的稳定性分析 102

3. 4. 1　 控制系统稳定性分析方法简述 102

3. 4. 2　控制系统稳定性分析的MATLAB

实现 104

3. 5　 控制系统的可观性与可控性分析 106

3. 5. 1　 系统的可观性分析 107

3. 5. 2　 系统的可控性分析 109

本章小结 112

习题 112

第4 章　 控制系统设计与仿真 113

4. 1　 基于根轨迹的控制系统设计 113

4. 1. 1　 基于根轨迹的相位超前校正 113

4. 1. 2　 基于根轨迹的相位滞后校正 123

4. 2　 基于伯德图的控制系统设计 126

4. 2. 1　 基于伯德图的相位超前校正 126

4. 2. 2　 基于伯德图的相位滞后校正 130

4. 2. 3　 基于伯德图的滞后￣超前校正 133

4. 3　 控制系统的 PID 控制器设计 136

4. 3. 1　 PID 控制规律 137

4. 3. 2　 PID 控制器设计方法 140

4. 3. 3　 PID 控制器设计实例 146

4. 4　 极点配置与观测器设计 150

目　录Ⅶ

4. 4. 1　 极点配置 150

4. 4. 2　 全维状态观测器设计 153

4. 4. 3　 降维状态观测器设计 155

4. 4. 4　基于观测器的状态反馈系统

设计综合实例 157

本章小结 159

习题 159

第5 章　控制系统CAD ——— Simulink

基础与应用 161

5. 1　 Simulink 基本介绍与基本操作 161

5. 1. 1　 Simulink 的基本介绍 161

5. 1. 2　 Simulink 的启动 161

5. 1. 3　 Simulink Library 163

5. 2　 Simulink 的建模方法与仿真 168

5. 2. 1　 仿真模型编译器 168

5. 2. 2　 仿真系统的编辑 169

5. 2. 3　 Simulink 仿真参数的设定 172

5. 2. 4　Simulink 与MATLAB 的接口

设计 174

5. 3　 Simulink 子系统的创建与封装 176

5. 3. 1　 Simulink 子系统的创建 176

5. 3. 2　 Simulink 子系统的封装 178

5. 4　 采用 MATLAB 命令进行仿真与分析 181

5. 4. 1　 仿真系统的打开和关闭 181

5. 4. 2　 功能模块参数设置 182

5. 4. 3　 系统模型的仿真运行 183

5. 4. 4　 仿真系统参数设置 183

5. 4. 5　 运行结果分析 185

5. 5　 S 函数 187

5. 5. 1　 S 函数简介 188

5. 5. 2　 用 M 文件创建 S 函数 190

5. 6 　基于Simulink 的系统分析与设计

实例 195

5. 6. 1　 连续系统的时域分析实例 195

5. 6. 2　 连续系统的稳定性分析实例 197

5. 6. 3　 连续系统的稳态误差分析实例 199

5. 6. 4　 线性连续系统的设计实例 203

本章小结 208

习题 208

参考文献 2092100433B

第1章绪论

1.1系统的基本概念和描述

1.1.1系统

1.1.2系统的分类

1.1.3系统的描述

1.2系统仿真的概念及分类

1.2.1系统仿真的基本概念

1.2.2系统仿真的分类

1.3数字仿真的基本内容

1.4控制系统CAD与数字仿真软件

1.5仿真技术的应用及发展趋势

1.5.1仿真技术的应用

1.5.2仿真技术的发展方向

第2章MATLAB基础

2.1MATLAB概述

2.1.1MATLAB简介

2.1.2MATLAB的基本功能和特点

2.1.3MATLAB的历史

2.2MATLAB的操作与使用

2.2.1MATLAB工作环境

2.2.2变量、函数、表达式和语句

2.2.3MATLAB的数据类型

2.3MATLAB的数组操作

2.3.1数组的创建

2.3.2数组的操作

2.3.3矩阵运算与数组运算

2.3.4稀疏矩阵及其运算

2.4MATLAB图形功能

2.4.1二维图形

2.4.2三维图形

2.4.3图形处理技术

2.5数据处理与常微分方程的求解

2.5.1数据分析

2.5.2多项式处理

2.5.3曲线拟合与插值

2.5.4常微分方程的求解

2.6MATLAB程序设计入门

2.6.1数据输入和输出

2.6.2选择结构

2.6.3循环结构

2.6.4M脚本文件和M函数文件

第3章控制系统的建模与数字仿真

3.1模型的建立及其重要性

3.2控制系统的数学模型

3.2.1数学模型的表示形式

3.2.2数学模型的转换和数学模型参数的获取

3.2.3系统模型的连接

3.3控制系统建模的基本方法

3.3.1机理建模法实例

3.3.2统计建模法举例

第4章控制系统分析与设计的MATLAB实现

4.1系统的时域分析

4.1.1二阶系统的阶跃响应

4.1.2根轨迹的绘制

4.2系统的频域分析

4.2.1奈氏图的绘制

4.2.2Bode图的绘制

4.3系统的稳定性分析

4.3.1连续系统的稳定性分析

4.3.2连续系统的稳态误差计算

4.3.3离散系统的稳定性分析

4.3.4离散系统的稳态误差计算

4.3.5李雅普诺夫系统稳定性分析

4.4系统校正设计方法

4.4.1根轨迹校正法

4.4.2Bode图校正法

4.4.3PID校正设计法

第5章Simulink基础

5.1Simulink简介

5.2Simulink的基本操作

5.2.1Simulink的运行

5.2.2常用的基本模块及操作

5.2.3Simulink模型的建立及自定义子系统封装

5.3Simulink仿真运行和参数设置

5.3.1算法设置（Solver）

5.3.2数据导入/导出设置（Data Import/Export）

5.3.3Simulink仿真实例

5.4S函数的用法

5.4.1S函数的调用格式

5.4.2S函数的应用实例

第6章图像处理仿真实例

6.1MATLAB图像类型

6.2常用的图像处理函数命令

6.2.1读写和显示图像文件

6.2.2图像的类型转换

6.2.3图像的几何操作

6.2.4图像添加噪声

6.2.5图像的平滑和中值滤波

6.3图像的DFT、DCT和DWT变换

6.3.1DFT变换

6.3.2DCT 变换

6.3.3DWT 变换

6.4仿真实例——数字水印系统

6.4.1DCT域鲁棒水印算法的MATLAB实现

6.4.2DWT域鲁棒水印算法的MATLAB实现

6.5仿真实例——基于小波变换的图像融合

6.6仿真实例——雾环境下的图像增强处理

6.6.1直方图均衡化去雾增强处理

6.6.2Retinex图像去雾增强处理

第7章汽车电子控制系统仿真实例

7.1发动机空燃比控制系统

7.1.1汽车电控燃油喷射系统

7.1.2空燃比的控制要求

7.1.3空燃比控制策略

7.1.4空燃比反馈控制系统的MATLAB仿真

7.2ABS控制系统仿真

7.2.1ABS控制系统

7.2.2利用MATLAB建立ABS控制系统模型

7.2.3利用梆梆控制进行ABS控制

7.2.4利用模糊逻辑进行ABS控制

7.3主动悬架控制系统

7.3.1悬架的动力学模型

7.3.2主动悬架MATLAB仿真

参考文献2100433B