目    录
第1章  自动控制系统与仿真概述	1
1.1  引言	1
1.2  自动控制系统基本概念	1
1.2.1  开环控制系统与闭环控制系统	2
1.2.2  闭环控制系统组成结构	3
1.2.3  反馈控制系统品质要求	4
1.3  自动控制系统分类	4
1.3.1  线性系统和非线性系统	5
1.3.2  离散系统和连续系统	5
1.3.3  恒值系统和随动系统	6
1.4  控制系统仿真基本概念	6
1.4.1  计算机仿真基本概念	7
1.4.2  控制系统仿真	8
1.4.3  控制系统计算机仿真基本过程	9
1.4.4  计算机仿真技术发展趋势	9
1.5  MATLAB/Simulink下的控制系统仿真	10
1.5.1  MATLAB适合控制系统仿真的特点	10
1.5.2  Simulink适合控制系统仿真的特点	10
1.6  MATLAB中控制相关的工具箱	11
1.7  Python中控制系统相关的包	13
1.7.1  Python与MATLAB对比	14
1.7.2  Python的控制系统包	14
第2章  MATLAB计算基础	15
2.1  引言	15
2.2  MATLAB概述	15
2.2.1  MATLAB发展历程	15
2.2.2  MATLAB系统构成	16
2.2.3  MATLAB 常用工具箱	17
2.3  MATLAB桌面操作环境	17
2.3.1  MATLAB启动和退出	17
2.3.2  MATLAB命令行窗口	18
2.3.3  MATLAB工作区	19
2.3.4  MATLAB文件管理	20
2.3.5  MATLAB帮助使用	20
2.4  MATLAB数值计算	21
2.4.1  MATLAB数值类型	21
2.4.2  矩阵运算	23
2.5  关系运算和逻辑运算	26
2.6  符号运算	27
2.6.1  符号运算基础	27
2.6.2  控制系统中常用的符号运算	28
2.7  复数和复变函数运算	29
2.7.1  复数运算基础	29
2.7.2  拉普拉斯变换及反变换	32
2.7.3  Z变换及其反变换	33
2.8  MATLAB常用绘图命令	35
2.9  MATLAB程序设计	38
2.9.1  MATLAB程序类型	38
2.9.2  MATLAB程序流程控制	39
2.9.3  MATLAB程序基本设计原则	41
第3章  Simulink仿真	42
3.1  引言	42
3.2  Simulink仿真概述	42
3.2.1  Simulink的启动与退出	43
3.2.2  Simulink建模仿真	44
3.3  Simulink的模块库简介	46
3.3.1  Simulink模块库分类	46
3.3.2  控制系统仿真中常用的模块	47
3.3.3  控制系统仿真中常用的Blockset	48
3.4  Simulink功能模块的处理	49
3.4.1  Simulink模块参数设置	49
3.4.2  Simulink模块的基本操作	50
3.4.3  Simulink模块间的连线处理	51
3.5  Simulink仿真设置	52
3.5.1  仿真器参数设置	52
3.5.2  工作空间数据导入/导出设置	55
3.6  Simulink仿真举例	56
3.7  Simulink自定义功能模块	65
3.7.1  自定义功能模块的创建	65
3.7.2  自定义功能模块的封装	65
3.8  S函数设计与应用	67
3.8.1  S函数设计模板	67
3.8.2  S函数设计举例	69
第4章  控制系统数学模型	73
4.1  引言	73
4.2  动态过程微分方程描述	73
4.3  拉氏变换与控制系统模型	76
4.4  数学模型描述	78
4.4.1  传递函数模型	78
4.4.2  零极点形式的数学模型	79
4.4.3  状态空间模型	80
4.5  MATLAB/Simulink在模型中的应用	80
4.5.1  多项式处理相关的函数	80
4.5.2  建立传递函数相关的函数	81
4.5.3  建立零极点形式的数学模型相关函数	82
4.5.4  建立状态空间模型相关的函数	82
4.5.5  Simulink中的控制系统模型表示	83
4.5.6  Simulink中模型与状态空间模型的转化	84
4.5.7  应用实例	84
4.6  系统模型转换及连接	88
4.6.1  模型转换	88
4.6.2  模型连接	90
4.6.3  模型连接的MATLAB实现	91
4.7  非线性数学模型的线性化	93
4.8  综合实例及MATLAB/Simulink应用	94
习题	98
第5章  时域分析法	100
5.1  引言	100
5.2  时域响应分析	100
5.2.1  典型输入	100
5.2.2  线性系统时域响应一般求法	102
5.2.3  时域响应性能指标	103
5.2.4  一阶和二阶系统的时域响应	104
5.2.5  高阶系统的时域分析	108
5.3  MATLAB/Simulink在时域分析中的应用	110
5.3.1  时域分析中MATLAB函数的应用	110
5.3.2  时域响应性能指标求取	114
5.3.3  二阶系统参数对时域响应性能的影响	117
5.3.4  改善系统时域响应性能的一些措施	120
5.3.5  LTI Viewer应用	124
5.4  稳定性分析	128
5.4.1  稳定性基本概念	128
5.4.2  稳定性判据	129
5.4.3  稳态误差分析	132
5.4.4  MATLAB在稳定性分析中的应用	136
5.5  综合实例及MATLAB/Simulink应用	137
习题	145
第6章  根轨迹分析法	147
6.1  引言	147
6.2  根轨迹定义	147
6.3  根轨迹法基础	148
6.3.1  幅值条件和相角条件	148
6.3.2  绘制根轨迹的一般法则	150
6.3.3  与根轨迹分析相关的MATLAB函数	152
6.3.4  根轨迹分析与设计工具rltool	154
6.3.5  利用MATLAB绘制根轨迹图举例	156
6.4  其他形式的根轨迹	160
6.4.1  正反馈系统的根轨迹	160
6.4.2  参数根轨迹	160
6.4.3  时滞系统的根轨迹	161
6.4.4  利用MATLAB绘制其他形式的根轨迹举例	162
6.5  用根轨迹法分析系统的暂态特性	164
6.6  综合实例及MATLAB/Simulink应用	167
习题	170
第7章  频域分析法	173
7.1  引言	173
7.2  频率特性基本概念	173
7.2.1  频率特性定义	174
7.2.2  频域分析法的特点	174
7.2.3  频域性能指标	175
7.3  频率特性的表示方法	176
7.3.1  极坐标图（Nyquist图）	176
7.3.2  对数坐标图（Bode图）	176
7.3.3  对数幅相图（Nichols图）	177
7.3.4  典型环节的频率特性	177
7.4  系统开环频率特性作图	180
7.4.1  开环对数频率特性作图	180
7.4.2  开环极坐标作图	181
7.5  频率响应分析	181
7.5.1  开环频率特性的性能分析	181
7.5.2  闭环频率特性的性能分析	183
7.6  MATLAB在频率法中的应用	187
7.6.1  求取和绘制频率响应曲线相关的函数	187
7.6.2  应用实例	188
7.7  频率法的稳定性分析	192
7.7.1  Nyquist稳定判据	192
7.7.2  稳定裕度	194
7.7.3  MATLAB在稳定性分析中的应用	196
7.8  综合实例及MATLAB/Simulink应用	199
习题	201
第8章  控制系统校正与综合	203
8.1  引言	203
8.2  控制系统校正与综合基础	203
8.2.1  控制系统性能指标	203
8.2.2  控制系统校正概述	205
8.3  PID控制器设计及MATLAB/Simulink应用	206
8.3.1  PID控制器概述	206
8.3.2  比例（P）控制	207
8.3.3  比例微分（PD）控制	209
8.3.4  积分（I）控制	210
8.3.5  比例积分（PI）控制	211
8.3.6  比例积分微分（PID）控制	212
8.3.7  PID控制器参数整定	212
8.4  控制系统校正的根轨迹法	223
8.4.1  基于根轨迹法的超前校正	223
8.4.2  基于根轨迹法的滞后校正	224
8.4.3  基于根轨迹法的超前滞后校正	224
8.4.4  MATLAB/Simulink在根轨迹法校正中的应用	225
8.5  控制系统校正的频率响应法	232
8.5.1  基于频率法的超前校正	232
8.5.2  基于频率法的滞后校正	233
8.5.3  MATLAB/Simulink在频率响应法校正中的应用	233
8.6  综合实例及MATLAB/Simulink应用	238
习题	243
第9章  线性系统状态空间分析	245
9.1  引言	245
9.2  线性系统状态空间基础	245
9.2.1  状态空间基本概念	245
9.2.2  状态空间实现	247
9.2.3  状态空间的标准型	255
9.2.4  状态方程求解	258
9.2.5  MATLAB/Simulink在线性系统状态空间描述中的应用	264
9.3  线性系统的状态可控性与状态可观性	269
9.3.1  状态可控性	270
9.3.2  状态可观性	271
9.3.3  对偶系统和对偶原理	272
9.3.4  可控标准型和可观标准型	273
9.3.5  MATLAB/Simulink在可控和可观标准型中的应用	276
9.4  线性系统稳定性分析	280
9.4.1  稳定性分析基础	280
9.4.2  李雅普诺夫稳定性分析	281
9.4.3  MATLAB/Simulink在李雅普诺夫稳定性分析中的应用	284
9.5  综合实例及MATLAB/Simulink应用	285
习题	288
第10章  线性系统状态空间设计	291
10.1  引言	291
10.2  状态反馈与极点配置	291
10.2.1  状态反馈	292
10.2.2  输出反馈	293
10.2.3  极点配置	294
10.2.4  MATLAB/Simulink在极点配置中的应用	296
10.3  状态观测器	300
10.3.1  状态观测器的基本概念	301
10.3.2  全维状态观测器	302
10.3.3  降维状态观测器	307
10.3.4  MATLAB/Simulink在状态观测器设计中的应用	310
10.4  综合实例及MATLAB/Simulink应用	311
习题	316
第11章  非线性系统	319
11.1  引言	319
11.2  非线性系统概述	319
11.2.1  非线性控制理论发展概况	319
11.2.2  典型非线性特性	320
11.2.3  Simulink中的非线性模块	322
11.3  相平面法	324
11.3.1  相平面法基础知识	325
11.3.2  MATLAB/Simulink在相轨迹图绘制中的应用	326
11.4  描述函数法	333
11.4.1  描述函数基本概念	333
11.4.2  描述函数定义	333
11.4.3  描述函数的计算	335
11.4.4  非线性系统的稳定性分析	336
11.5  MATLAB/Simulink在非线性系统分析中的应用	337
11.6  综合实例及MATLAB/Simulink应用	340
习题	345
第12章  离散控制系统	346
12.1  引言	346
12.2  离散控制系统基本概念	346
12.2.1  离散控制系统概述	346
12.2.2  离散信号的数学描述	348
12.3  离散控制系统的研究方法	351
12.3.1  线性连续与离散控制系统研究方法类比	352
12.3.2  MATLAB中的离散控制系统相关的函数	352
12.4  Z变换	353
12.4.1  离散信号的Z变换	353
12.4.2  Z变换与Z反变换常用方法	355
12.5  离散控制系统数学模型	358
12.5.1  离散系统时域数学模型	358
12.5.2  离散系统频域数学模型	360
12.6  离散控制系统性能分析	366
12.6.1  稳定性分析	366
12.6.2  静态误差分析	367
12.6.3  动态特性分析	369
12.6.4  MATLAB/Simulink在离散系统性能分析中的应用	371
12.7  综合实例及MATLAB/Simulink应用	383
习题	388
第13章  最优控制系统	390
13.1  引言	390
13.2  最优控制问题的描述	390
13.3  线性二次型最优控制问题	391
13.4  MATLAB/Simulink在线性二次型最优控制中的应用	392
13.5  综合实例及MATLAB/Simulink应用	393
习题	397
参考文献	399