MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐(第3版)

本書曾榮獲“第三屆中國(guó)大學(xué)出版社圖書獎(jiǎng)優(yōu)秀教材獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”和“2016年陜西省普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材二等獎(jiǎng)”。

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐（第3版）》一書中內(nèi)容的講解通俗易懂，目前已經(jīng)被國(guó)內(nèi)100多家高校的老師選為教材。隨書配有課件、程序源代碼、實(shí)驗(yàn)教材的電子版、綜合試題集，相關(guān)講解視頻免費(fèi)放在MATLAB中文論壇上供讀者學(xué)習(xí)使用。

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐（第3版）》一書以MATLAB R2015b為仿真平臺(tái)，以清新、簡(jiǎn)潔的風(fēng)格介紹了MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)及基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真。本書在結(jié)構(gòu)上包括上下兩篇共17章。上篇介紹MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)；為滿足新的教學(xué)需求，還加入了MATLAB/Simulink與開(kāi)源電子設(shè)計(jì)平臺(tái)Arduino的交互應(yīng)用，共8章。下篇介紹控制系統(tǒng)的MATLAB仿真，并提供了兩個(gè)課程設(shè)計(jì)案例供學(xué)習(xí)參考，共9章。

全書結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容翔實(shí)，圖文并茂，以豐富的實(shí)例突出實(shí)踐性，通過(guò)緊密聯(lián)系實(shí)際突出應(yīng)用性。

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐（第3版）》一書可作為自動(dòng)控制等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)參考用書，也可作為相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員和研究人員的參考資料。書中MATLAB語(yǔ)言的介紹較為全面，可供MATLAB語(yǔ)言入門者學(xué)習(xí)參考。書中所給綜合實(shí)例則對(duì)相關(guān)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等有重要參考價(jià)值。

上篇MATLAB/ Simulink基礎(chǔ)

第1章MATLAB環(huán)境認(rèn)識(shí)與操作3

1.1MATLAB環(huán)境認(rèn)識(shí)3

1.1.1命令窗口4

1.1.2命令歷史記錄(Command History)窗口6

1.1.3工作空間(Workspace)窗口7

1.1.4MATLAB的幫助使用9

1.1.5圖形窗口12

1.1.6編輯/調(diào)試窗口13

1.2MATLAB Notebook及其使用14

1.2.1MATLAB Notebook的啟動(dòng)14

1.2.2Notebook的菜單命令15

1.2.3輸出單元的格式控制15

1.2.4使用Mbook模板的技巧16

本 章 小 結(jié)16

第2章MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)17

2.1MATLAB語(yǔ)言的常量與變量17

2.1.1MATLAB語(yǔ)言的常量17

2.1.2MATLAB語(yǔ)言的變量18

2.2MATLAB語(yǔ)言的運(yùn)算符19

2.2.1算術(shù)運(yùn)算符19

2.2.2關(guān)系運(yùn)算符19

2.2.3邏輯運(yùn)算符19

2.3MATLAB語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型20

2.3.1MATLAB語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型概述20

2.3.2稀疏矩陣20

2.3.3單元數(shù)組24

2.3.4結(jié)構(gòu)數(shù)組27

2.4MATLAB語(yǔ)言的基本語(yǔ)句結(jié)構(gòu)30

2.4.1直接賦值語(yǔ)句30

2.4.2調(diào)用函數(shù)語(yǔ)句31

本 章 小 結(jié)31

第3章MATLAB的數(shù)值運(yùn)算與符號(hào)運(yùn)算基礎(chǔ)32

3.1數(shù)組與矩陣的基本操作32

3.1.1數(shù)組與矩陣的輸入32

3.1.2數(shù)組與矩陣元素的操作36

3.1.3數(shù)組與矩陣的輸出38

3.2MATLAB的基本數(shù)值運(yùn)算40

3.2.1算術(shù)運(yùn)算40

3.2.2關(guān)系運(yùn)算44

3.2.3邏輯運(yùn)算45

3.2.4運(yùn)算優(yōu)先級(jí)47

3.3MATLAB的基本符號(hào)運(yùn)算47

3.3.1符號(hào)運(yùn)算基本函數(shù)48

3.3.2符號(hào)代數(shù)方程和微分方程的求解49

3.3.3符號(hào)微積分運(yùn)算52

3.3.4Laplace變換及其反變換、Z變換及其反變換53

3.3.5MuPAD Notebook簡(jiǎn)介55

本 章 小 結(jié)56

第4章MATLAB語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)57

4.1MATLAB語(yǔ)言的流程結(jié)構(gòu)57

4.1.1if, else和elseif組成的條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)57

4.1.2switch，case和otherwise組成的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)58

4.1.3while/for循環(huán)結(jié)構(gòu)58

4.1.4try和catch組成的試探結(jié)構(gòu)59

4.1.5MATLAB程序設(shè)計(jì)舉例60

4.2MATLAB函數(shù)的編寫63

4.2.1MATLAB函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)64

4.2.2MATLAB函數(shù)編寫舉例66

4.3MATLAB程序設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題69

本 章 小 結(jié)70

第5章MATLAB語(yǔ)言的繪圖基礎(chǔ)71

5.1二維圖形的繪制71

5.1.1繪制二維圖形的基本函數(shù)及示例71

5.1.2圖形的修飾及示例73

5.1.3多圖繪制函數(shù)及示例78

5.1.4特殊應(yīng)用二維圖形的繪制83

5.2三維圖形的繪制85

5.2.1三維圖形繪制函數(shù)85

5.2.2三維圖形繪制舉例85

5.3圖形的圖形化編輯87

5.4符號(hào)函數(shù)繪制圖形88

5.4.1符號(hào)函數(shù)繪制圖形的函數(shù)及示例88

5.4.2符號(hào)函數(shù)的圖形化繪制方式89

本 章 小 結(jié)90

第6章MATLAB GUI程序設(shè)計(jì)初步91

6.1GUI設(shè)計(jì)工具GUIDE簡(jiǎn)介91

6.1.1GUIDE的啟動(dòng)91

6.1.2GUI的創(chuàng)建91

6.2GUI程序設(shè)計(jì)示例93

6.2.1“Hello World”程序的設(shè)計(jì)93

6.2.2控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的演示程序95

本 章 小 結(jié)99

第7章MATLAB的仿真集成環(huán)境——Simulink100

7.1Simulink概述100

7.2Simulink的基本界面操作100

7.3Simulink的功能模塊及其操作103

7.3.1Simulink的功能模塊103

7.3.2功能模塊的基本操作109

7.3.3功能模塊的連接操作111

7.4Simulink仿真環(huán)境的設(shè)置112

7.5子系統(tǒng)及封裝技術(shù)113

7.5.1子系統(tǒng)的建立114

7.5.2子系統(tǒng)的封裝115

7.6用Simulink建立系統(tǒng)模型示例118

7.7Simulink的高級(jí)應(yīng)用——S函數(shù)的編寫121

7.7.1S函數(shù)的工作原理122

7.7.2S函數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)例127

本 章 小 結(jié)133

第8章MATLAB/Simulink與Arduino交互控制134

8.1Arduino簡(jiǎn)介134

8.1.1Arduino及其特點(diǎn)134

8.1.2Arduino硬件資源135

8.1.3Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境136

8.1.4Arduino開(kāi)發(fā)舉例137

8.2MATLAB/Simulink對(duì)Arduino的開(kāi)發(fā)支持140

8.2.1MATLAB/Simulink支持包的安裝140

8.2.2MATLAB對(duì)Arduino的支持(Arduino Support from MATLAB)141

8.2.3Simulink對(duì)Arduino的支持(Arduino Support from Simulink)141

8.3MATLAB/Simulink與Arduino交互控制舉例143

8.3.1MATLAB與Arduino交互控制舉例143

8.3.2Simulink與Arduino交互控制舉例146

本 章 小 結(jié)149

下篇控制系統(tǒng)的MATLAB仿真

第9章自動(dòng)控制及其仿真概述153

9.1自動(dòng)控制系統(tǒng)概述153

9.1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本形式及特點(diǎn)153

9.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類154

9.1.3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求及性能評(píng)價(jià)154

9.2控制系統(tǒng)仿真概述154

9.2.1仿真的基本概念154

9.2.2仿真的不同分類155

9.2.3仿真技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展156

9.2.4計(jì)算機(jī)仿真的要素及基本步驟157

9.2.5控制系統(tǒng)仿真軟件158

本 章 小 結(jié)158

第10章基于MATLAB的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模159

10.1控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型159

10.1.1系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型簡(jiǎn)述159

10.1.2傳遞函數(shù)的MATLAB相關(guān)函數(shù)160

10.1.3建立傳遞函數(shù)模型實(shí)例161

10.2控制系統(tǒng)的零極點(diǎn)函數(shù)模型164

10.2.1零極點(diǎn)函數(shù)模型簡(jiǎn)述164

10.2.2零極點(diǎn)函數(shù)的MATLAB相關(guān)函數(shù)165

10.2.3建立零極點(diǎn)函數(shù)模型實(shí)例165

10.3控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間函數(shù)模型169

10.3.1狀態(tài)空間函數(shù)模型簡(jiǎn)述169

10.3.2狀態(tài)空間函數(shù)的MATLAB相關(guān)函數(shù)169

10.3.3建立狀態(tài)空間函數(shù)模型實(shí)例170

10.4系統(tǒng)模型之間的轉(zhuǎn)換172

10.4.1系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換的MATLAB相關(guān)函數(shù)172

10.4.2系統(tǒng)模型之間轉(zhuǎn)換實(shí)例173

10.5方框圖模型的連接化簡(jiǎn)178

10.5.1方框圖模型的連接化簡(jiǎn)簡(jiǎn)述178

10.5.2系統(tǒng)模型連接化簡(jiǎn)的MATLAB相關(guān)函數(shù)180

10.5.3系統(tǒng)模型連接化簡(jiǎn)實(shí)例180

10.6Simulink圖形化系統(tǒng)建模實(shí)例184

本 章 小 結(jié)185

第11章控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析186

11.1系統(tǒng)穩(wěn)定性的MATLAB直接判定187

11.1.1MATLAB直接判定的相關(guān)函數(shù)187

11.1.2MATLAB直接判定實(shí)例187

11.2系統(tǒng)穩(wěn)定性的MATLAB圖形化判定190

11.2.1MATLAB圖形化判定的相關(guān)函數(shù)190

11.2.2MATLAB圖形化判定實(shí)例190

11.3MATLAB LTI Viewer穩(wěn)定性判定實(shí)例192

本 章 小 結(jié)195

第12章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析196

12.1控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析196

12.1.1控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)196

12.1.2控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)MATLAB求取實(shí)例197

12.2控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)分析204

12.2.1系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)204

12.2.2控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)MATLAB求取實(shí)例204

12.3MATLAB時(shí)域響應(yīng)仿真的典型函數(shù)應(yīng)用207

12.3.1MATLAB時(shí)域響應(yīng)仿真的典型函數(shù)207

12.3.2MATLAB時(shí)域響應(yīng)仿真的典型函數(shù)應(yīng)用實(shí)例207

12.4MATLAB/Simulink圖形化時(shí)域分析212

12.4.1MATLAB LTI Viewer時(shí)域分析實(shí)例212

12.4.2Simulink時(shí)域分析實(shí)例215

本 章 小 結(jié)217

第13章控制系統(tǒng)的根軌跡分析與校正218

13.1控制系統(tǒng)的根軌跡法分析220

13.1.1MATLAB根軌跡分析的相關(guān)函數(shù)220

13.1.2MATLAB根軌跡分析實(shí)例220

13.2控制系統(tǒng)的根軌跡法校正233

13.2.1根軌跡法超前校正及基于MATLAB的實(shí)例234

13.2.2根軌跡法滯后校正及基于MATLAB的實(shí)例238

13.3MATLAB圖形化根軌跡法分析與設(shè)計(jì)242

13.3.1MATLAB圖形化根軌跡法分析與設(shè)計(jì)工具rltool242

13.3.2基于圖形化工具rltool的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)實(shí)例244

本 章 小 結(jié)246

第14章控制系統(tǒng)的頻域分析與校正247

14.1控制系統(tǒng)的頻域分析248

14.1.1頻率特性及其表示248

14.1.2MATLAB頻域分析的相關(guān)函數(shù)248

14.1.3MATLAB頻域分析實(shí)例249

14.2基于頻域法的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能分析258

14.2.1頻域法的穩(wěn)定性判定和穩(wěn)定裕度概述258

14.2.2基于頻域法的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性判定相關(guān)函數(shù)259

14.2.3MATLAB頻域法穩(wěn)定性判定實(shí)例260

14.3控制系統(tǒng)的頻域法校正266

14.3.1頻域法超前校正及基于MATLAB的實(shí)例266

14.3.2頻域法滯后校正及基于MATLAB的實(shí)例271

14.3.3頻域法滯后超前校正及基于MATLAB的實(shí)例276

本 章 小 結(jié)282

第15章控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)283

15.1PID控制器概述283

15.2PID控制器作用分析284

15.2.1比例控制作用舉例分析284

15.2.2比例微分控制作用舉例分析285

15.2.3積分控制作用舉例分析288

15.2.4比例積分控制作用舉例分析290

15.2.5比例積分微分控制作用舉例分析291

15.3PID控制器設(shè)計(jì)舉例295

15.3.1PID控制器參數(shù)整定方法295

15.3.2PID控制器設(shè)計(jì)舉例296

本 章 小 結(jié)300

第16章非線性控制系統(tǒng)分析301

16.1非線性系統(tǒng)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的相軌跡圖繪制示例302

16.3描述函數(shù)法304

16.3.1描述函數(shù)法概述304

16.3.2基于MATLAB的描述函數(shù)法非線性系統(tǒng)分析示例305

本 章 小 結(jié)307

第17章課程設(shè)計(jì)綜合實(shí)例308

17.1課程設(shè)計(jì)作品1——系統(tǒng)的滯后超前頻域法校正308

17.1.1設(shè)計(jì)目的308

17.1.2設(shè)計(jì)任務(wù)308

17.1.3具體要求308

17.1.4設(shè)計(jì)原理概述308

17.1.5設(shè)計(jì)方案及分析309

17.1.6結(jié)束語(yǔ)320

17.1.7參考文獻(xiàn)320

17.2課程設(shè)計(jì)作品2——系統(tǒng)的根軌跡法超前校正320

17.2.1設(shè)計(jì)目的320

17.2.2設(shè)計(jì)任務(wù)321

17.2.3具體要求321

17.2.4設(shè)計(jì)原理及EDA工具選擇321

17.2.5系統(tǒng)校正及結(jié)果分析323

17.2.6結(jié)束語(yǔ)328

17.2.7參考文獻(xiàn)328