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第1章 计算机控制及仿真概述1

1.1 自动控制的基本知识1

1.1.1 控制理论的发展1

1.1.2 自动控制的概念及其应用3

1.1.3 控制的基本方式3

1.1.4 对控制系统的性能要求5

1.2 自动控制系统的组成及分类6

1.2.1 控制系统的组成6

1.2.2 自动控制系统的分类7

1.3 系统仿真的基本知识8

1.3.1 仿真的概念和仿真过程8

1.3.2 系统仿真的分类11

1.4 计算机仿真的特点及其应用12

1.4.1 计算机仿真的特点12

1.4.2 计算机仿真技术的应用13

1.5 MATLAB相关简介14

1.5.1 MATLAB的产生与发展14

1.5.2 MATLAB的主要功能15

1.5.3 MATLAB的基本应用15

1.6 Simulink简介18

1.6.1 Simulink概述18

1.6.2 Simulink的启动及界面19

1.6.3 Simulink的模块库20

1.7 Simulink基本操作22

1.7.1 模型窗口22

1.7.2 模块的操作处理23

1.7.3 模块的连接24

1.7.4 系统模型图的创建25

1.7.5 自定义模块库和子系统27

1.8 利用MATLAB对汽车控制系统的仿真实例32

1.8.1 问题的描述32

1.8.2 系统的模型表示33

1.8.3 利用MATLAB对汽车控制系统的设计34

1.8.4 利用Simulink对汽车控制系统的设计39

本章小结40

习题42

第2章 线性连续系统的数学模型及其相互转换44

2.1 微分方程44

2.1.1 微分方程的建立44

2.1.2 非线性系统微分方程的线性化45

2.2 传递函数47

2.2.1 拉普拉斯变换47

2.2.2 系统的传递函数48

2.2.3 自动控制系统的传递函数51

2.2.4 MATLAB语言中的传递函数表示52

2.3 系统的功能图53

2.3.1 功能图的组成和绘制54

2.3.2 功能图的等效变换55

2.3.3 利用MATLAB对控制系统的功能图进行描述和转换56

2.4 状态空间描述61

2.4.1 状态空间概念61

2.4.2 状态空间表达式61

2.4.3 MATLAB语言中的状态空间模型表示64

2.5 数学模型的相互转换65

2.5.1 微分方程和状态空间表达式之间的转换66

2.5.2 传递函数和状态空间表达式之间的转换66

2.5.3 利用MATLAB对数学模型进行相互转换67

本章小结69

习题70

第3章 线性离散系统的数学描述72

3.1 线性离散系统概述72

3.2 离散系统的时域描述——差分方程72

3.2.1 差分方程72

3.2.2 差分方程的求解73

3.3 z变换73

3.3.1 z变换的定义73

3.3.2 z变换的求解方法74

3.3.3 z变换的基本性质75

3.3.4 z反变换75

3.3.5 用z变换求解差分方程77

3.4 脉冲传递函数77

3.4.1 脉冲传递函数的定义77

3.4.2 开环系统的脉冲传递函数78

3.4.3 闭环系统的脉冲传递函数79

3.5 离散状态空间表达式81

3.5.1 差分方程的输入不包含差分项81

3.5.2 差分方程的输入包含差分项82

3.6 离散动态系统的MATLAB仿真84

本章小结86

习题86

第4章 计算机控制系统的经典设计方法88

4.1 概述88

4.2 数字PID控制器设计88

4.2.1 模拟PID控制器89

4.2.2 数字PID控制器89

4.2.3 数字PID控制算法实现方式比较90

4.2.4 数字PID控制算法流程90

4.3 数字PID算法的改进91

4.3.1 积分项的改进91

4.3.2 微分项的改进92

4.3.3 时间最优PID控制93

4.3.4 带死区的PID控制算法93

4.4 PID参数的整定94

4.4.1 采样周期的选择94

4.4.2 按简易工程法整定PID参数94

4.4.3 优选法96

4.4.4 凑试法确定PID参数96

4.4.5 PID控制参数的自整定法97

4.5 利用MATLAB设计PID控制器98

本章小结108

习题109

第5章 计算机控制系统的复杂控制规律设计110

5.1 最少拍控制器的设计110

5.1.1 数字控制器的离散化设计步骤110

5.1.2 最少拍控制系统D（z）的设计111

5.1.3 典型输入下的最少拍控制系统分析112

5.1.4 最少拍控制器设计的限制条件115

5.2 纯滞后控制技术117

5.2.1 大林算法的基本形式117

5.2.2 振铃现象及其消除方法119

5.2.3 Smith预估控制121

5.3 串级控制技术124

5.3.1 串级控制的结构和原理124

5.3.2 数字串级控制算法125

5.4 利用MATLAB设计最少拍系统126

本章小结128

习题129

第6章 计算机控制系统的现代控制技术130

6.1 采用状态空间的输出反馈设计法130

6.1.1 连续状态方程的离散化130

6.1.2 最少拍无纹波系统的跟踪条件131

6.1.3 输出反馈设计法的设计步骤132

6.2 采用状态空间的极点配置设计法134

6.2.1 按极点配置设计控制规律134

6.2.2 按极点配置设计状态观测器135

6.2.3 按极点配置设计控制器138

6.3 采用状态空间的最优化设计法141

6.3.1 LQ最优控制器设计141

6.3.2 LQG最优控制器142

6.4 利用MATLAB设计现代控制系统142

6.4.1 极点配置设计的MATLAB实现142

6.4.2 LQ最优控制器的MATLAB实现147

本章小结151

习题152

第7章 控制系统的仿真原理及算法153

7.1 数值积分法153

7.1.1 欧拉（Euler）法154

7.1.2 梯形法155

7.1.3 龙格-库塔（Runge-Kutta）法156

7.1.4 数值积分公式的应用157

7.1.5 仿真精度与系统稳定性160

7.2 快速仿真算法162

7.2.1 时域矩阵法162

7.2.2 增广矩阵法164

7.2.3 替换法167

7.2.4 根匹配法168

7.3 离散相似法170

7.3.1 仿真算法描述171

7.3.2 典型环节的离散模型172

7.4 线性系统仿真174

7.4.1 线性系统的数值积分法仿真174

7.4.2 线性系统的离散相似法仿真177

7.5 非线性系统仿真178

7.5.1 典型非线性特性178

7.5.2 非线性系统的仿真过程及应用180

7.6 采样系统仿真182

7.6.1 采样控制系统的算法描述182

7.6.2 采样周期与仿真步距的关系183

7.6.3 采样系统的仿真应用185

本章小结187

习题187

第8章 控制系统的数据处理技术189

8.1 数字滤波189

8.1.1 平均值滤波189

8.1.2 中值滤波191

8.1.3 RC低通数字滤波191

8.1.4 复合数字滤波192

8.1.5 各种数字滤波性能的比较192

8.2 标度变换193

8.2.1 线性参数标度变换193

8.2.2 非线性参数标度变换194

8.3 插值算法195

8.3.1 线性插值法195

8.3.2 分段插值算法196

8.3.3 数据插值的MATLAB实现196

8.4 越限报警处理201

本章小结201

习题202

第9章 控制系统的MATLAB/Simulink仿真203

9.1 Simulink仿真的参数设置203

9.1.1 系统模型的实时操作与仿真参数设置203

9.1.2 Solver解算器选项卡的参数设置204

9.1.3 Workspace I/O工作空间选项卡参数设置206

9.2 控制系统的Simulink仿真207

9.2.1 利用Simulink系统仿真模型的仿真处理207

9.2.2 利用Simulink动态结构图的仿真处理214

本章小结219

习题220

第10章 MATLAB/Simulink仿真与建模在实际中的应用222

10.1 飞机偏航阻尼器设计222

10.1.1 数学模型及MATLAB描述222

10.1.2 校正前系统性能分析224

10.1.3 利用MATLAB校正设计228

10.1.4 校正后系统性能分析233

10.2 飞行器控制系统设计235

10.2.1 飞行器控制系统数学模型236

10.2.2 飞行器控制系统解析237

10.2.3 装置优化的MATLAB/Simulink设计238

10.2.4 频域性能分析242

本章小结245

参考文献246