MATLAB与控制系统仿真
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作者张磊
出版社电子工业出版社
ISBN9787121343094
出版时间2018-10
装帧平装
开本16开
定价39.8元
货号25480147
上书时间2024-10-28
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前言
前 言
“控制系统仿真”课程是高校自动化及其相关专业本科生的一门重要专业课程，是在学习控制系统原理的基础上使用MATLAB软件进行模型建立、仿真设计、实验验证和分析的综合实践课程。“控制系统仿真”课程的任务是使学生获得控制系统仿真技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析问题和解决问题的能力，加深学生对自动控制理论的理解，拓宽学生对控制系统仿真及其应用软件的知识面，为深入学习后续课程及从事控制系统设计、分析的实际工作打下基础。
“控制系统仿真”课程的内容包含控制理论、计算数学和计算机相关知识，而MATLAB软件是分析和设计各类复杂系统的强有力工具。学生在学习了“自动控制原理”“现代控制理论”等专业课程的基础上，需要开设一门综合性、实践性较强的课程。其目的是使学生在深入学习控制理论的基础上，掌握一种能够方便地对系统进行分析与设计的工具，以便在控制系统的研究中减少烦琐的验算，提高解决专业问题的能力，提高设计效率和质量。
本书依循“翻转课堂”的教学思路，尝试融入多项教学方法，减少了教师讲授的时间，大幅度提高了学生自主学习和实际动手的效率，教师能够有更多的时间与学生进行交流和讨论。本书及教学资料在作者所在的高校进行了试验，效果良好。教师可以采用重点讲授、协作指导和问题讨论的形式满足学生的需要，同时促进学生的个性化学习，使学生通过自主认知、理论回顾和实践获得更真实、有效的学习。
本书和所提供的辅助教学资源能够满足“翻转课堂”式教学方法所需要的基本要求。
1. 教学信息更加清晰
教师可以依照本书的内容和顺序设计教学计划。除教材中的内容以外，本书还提供实例程序、教学PPT、演示视频等资源。课堂开始前教师可以发布本次课程需要的教学资料和实践要求，如教学PPT、演示视频、各章的要求和需要完成的考查题目等内容，引导学生按照自己的理解情况安排学习进度，以需要掌握的知识重点为主线、以考查题目为任务导向，以学生个体为教学单元边学、边练、边讨论，通过教师个性化的有效辅导全面提升学习的效果。
2. 重新构建学习方式
阶段，学生积极利用课堂时间了解本章所需要掌握的知识重点，通过阅读教材内容、查看课程所提供的课件和实例程序资料、观看演示视频，进而完成每章指定的考查题目；
第二阶段，学生将自行完成的考查题目向教师或教学助理进行讲解和演示，教师则分别针对学生的具体情况和具体问题进行提问、解答和讨论；
第三阶段，学生在课堂外完成教师安排或教材中要求的课后练习题。
3. 演示视频针对性强
演示视频时间基本控制在3～10min内，内容针对性强，都是各章综合性较强的操作演示或设计方法展示，包含完整的知识点讲解、例题分析与练习，方便学生在阅读教材的同时观看视频，提升学生自主学习的能力。
4. 课程要求和考核方式
课程要求分为课前、课中和课后三个环节的要求。
（1）课前，复习自动控制原理的相关基础知识，复习C语言等其他已经学习的高级编程语言及程序设计知识，每节课前预习教材内容；
（2）课中，按照教师给定的考查题目边学边练，完成每章后的练习题，在指定的答疑和讨论时间段内与教师或助教积极互动；
（3）课后，独立完成部分课后练习题。
采用课堂考查、实验成果检查与上机考核综合考核方式，实现综合考查学生的学习效果。
本书以MATLAB为主要工具，按照控制理论的内容体系，依次展开学习，主要任务分为MATLAB基础和基于MATLAB的控制系统仿真两大部分。
导语摘要
本书从应用角度出发，全面系统地介绍了MATLAB软件及其在自动控制中的应用。全书通过大量实际应用案例详细阐述利用MATLAB进行控制系统分析与设计的方法。 全书内容精练、实用，案例典型，图文并茂，是教学团队多年实践教学成果的总结。
作者简介
张磊，副教授，中国海洋大学工程学院骨干教师，青岛海艺自动化技术有限公司执行董事，长期从事自动化及工业机器人技术方向的教育培训，具有丰富的实践经验。
目录
目 录
绪论—教学与学习建议- 1 -
第1章 控制系统仿真概述- 4 -
1.1 系统仿真概述- 4 -
1.2 MATLAB简介- 6 -
1.3 MATLAB基本操作- 8 -
1.3.1 MATLAB R2014a的启动- 8 -
1.3.2 基本操作界面- 8 -
1.4 MATLAB操作实例- 12 -
课后习题1- 14 -
第2章 MATLAB矩阵及其基本操作- 15 -
2.1 矩阵及其操作- 16 -
2.1.1 矩阵的创建- 16 -
2.1.2 矩阵的属性- 17 -
2.1.3 创建特殊矩阵- 17 -
2.1.4 矩阵操作- 18 -
2.2 矩阵运算- 19 -
2.2.1 矩阵加、减运算- 19 -
2.2.2 矩阵的点运算- 19 -
2.2.3 矩阵乘运算- 20 -
2.2.4 矩阵的一些特殊运算- 21 -
2.3 多维矩阵及其操作- 22 -
2.3.1 通过指定索引把二维矩阵扩展为多维矩阵- 22 -
2.3.2 使用内联函数创建多维矩阵- 23 -
2.3.3 使用cat函数进行链接创建- 23 -
2.4 结构体和元胞数组- 24 -
2.4.1 结构体的创建- 24 -
2.4.2 元胞数组- 26 -
2.5 字符串- 28 -
2.6 关系运算- 28 -
课后习题2- 29 -
第3章 MATLAB数学运算基础- 30 -
3.1 矩阵的基本运算- 31 -
3.1.1 矩阵的逆- 31 -
3.1.2 矩阵的特征值和特征向量- 32 -
3.2 线性方程组的求解方法- 32 -
3.3 多项式运算- 34 -
3.3.1 使用roots函数求多项式的根- 34 -
3.3.2 使用conv函数进行多项式乘运算- 35 -
3.3.3 使用deconv函数进行多项式除运算- 35 -
3.3.4 多项式微分- 36 -
3.4 多项式曲线拟合- 36 -
3.5 数据统计- 37 -
课后习题3- 42 -
第4章 M文件与MATLAB编程基础- 43 -
4.1 MATLAB的M文件- 43 -
4.1.1 M文件的创建和编辑- 44 -
4.1.2 编辑器窗口说明- 45 -
4.2 MATLAB控制语句- 46 -
4.2.1 分支控制语句- 46 -
4.2.2 循环控制语句- 49 -
课后习题4- 50 -
第5章 函数与外部数据操作- 52 -
5.1 M文件（函数）- 52 -
5.1.1 函数类型- 52 -
5.1.2 参数传递- 55 -
5.2 外部数据操作- 56 -
5.2.1 MATLAB的外部数据操作- 57 -
5.2.2 使用窗口操作实现文件数据读取- 58 -
5.2.3 MATLAB程序中获取用户输入数据- 60 -
5.2.4 MATLAB程序中日期和时间的使用- 61 -
课后习题5- 62 -
第6章 MATLAB的绘图及图像处理- 63 -
6.1 MATLAB的绘图- 63 -
6.1.1 二维图形- 65 -
6.1.2 三维图形- 79 -
6.2 MATLAB的图像处理- 86 -
6.2.1 颜色- 86 -
6.2.2 光照效果- 87 -
课后习题6- 88 -
第7章 交互式仿真工具Simulink- 89 -
7.1 Simulink简介- 89 -
7.2 Simulink的模块库浏览界面- 90 -
7.3 Simulink建模与仿真- 95 -
7.3.1 Simulink建模与仿真的步骤- 95 -
7.3.2 Simulink模块的基本操作- 96 -
7.3.3 Simulink仿真参数的设置- 97 -
7.4 仿真结果的运行、观察和调试- 101 -
7.4.1 使用菜单运行仿真- 102 -
7.4.2 使用命令进行仿真- 102 -
7.4.3 观察并分析仿真结果- 104 -
7.4.4 仿真的调试方法- 106 -
7.5 Simulink的自定义功能模块- 108 -
课后习题7- 108 -
第8章 控制系统模型的定义- 110 -
8.1 自动控制系统- 111 -
8.1.1 开环控制与闭环控制- 111 -
8.1.2 自动控制理论概要- 112 -
8.1.3 自动控制系统中的术语和定义- 112 -
8.2 控制系统仿真概述- 113 -
8.2.1 建立数学模型的实验方法简介- 113 -
8.2.2 建立数学模型的方法- 113 -
8.2.3 控制系统模型引言- 114 -
8.3 模型的描述、生成与封装- 114 -
8.3.1 传递函数模型的描述（tf模型）- 114 -
8.3.2 零极点模型的描述（zpk模型）- 116 -
8.3.3 状态空间模型的描述（ss模型）- 117 -
8.3.4 线性定常系统LTI模型的生成- 117 -
8.4 控制系统数学模型的转换和连接- 120 -
8.4.1 系统模型的转换- 120 -
8.4.2 系统模型的连接- 122 -
课后习题8- 125 -
第9章 控制系统的稳定性分析- 127 -
9.1 控制系统的稳定性分析- 128 -
9.1.1 直接判别法- 129 -
9.1.2 绘制零极点图进行判断- 130 -
9.2 绘制系统的响应曲线- 131 -
9.2.1 阶跃响应函数- 132 -
9.2.2 脉冲响应函数- 135 -
9.2.3 零输入响应函数- 137 -
9.2.4 输入信号的产生及应用- 139 -
9.2.5 使用Simulink实现时域响应分析- 140 -
课后习题9- 143 -
第10章 控制系统的时域分析- 144 -
10.1 系统的阶跃响应分析- 145 -
10.2 MATLAB系统分析工具LTI Viewer- 156 -
10.3 控制系统的稳态误差- 158 -
课后习题10- 163 -
第11章 控制系统的根轨迹分析- 165 -
11.1 根轨迹法基础- 166 -
11.1.1 分析的基本原理- 166 -
11.1.2 使用MATLAB函数绘制根轨迹图- 169 -
11.2 根轨迹法分析系统- 173 -
11.2.1 增加开环零极点对根轨迹的影响- 173 -
11.2.2 利用根轨迹法分析系统的暂态特性- 178 -
11.3 MATLAB在根轨迹分析中的综合应用(rltool)- 179 -
11.3.1 图形界面工具rltool- 179 -
11.3.2 综合应用实例- 182 -
课后习题11- 185 -
第12章 控制系统的频域分析- 187 -
12.1 频域分析法基础- 187 -
12.1.1 分析的基本原理- 187 -
12.1.2 频率响应和频率特性- 188 -
12.2 MATLAB频域分析法—频率特性图- 189 -
12.2.1 奈奎斯特图的绘制- 189 -
12.2.2 奈奎斯特图判稳- 190 -
12.2.3 伯德图的绘制- 192 -
12.3 系统的相对稳定性和稳定裕度- 195 -
12.3.1 幅值裕度和相角裕度- 195 -
12.3.2 幅值裕度和相角裕度获取方法- 195 -
课后习题12- 197 -
第13章 PID控制器设计与应用- 200 -
13.1 串联校正与反馈校正- 200 -
13.1.1 串联校正- 200 -
13.1.2 反馈校正- 204 -
13.2 PID校正概述- 205 -
13.3 PID控制器设计与参数整定- 211 -
13.4 PID Tuner控制器设计- 214 -
课后习题13- 219 -
第14章 MATLAB图形用户界面GUI- 221 -
课后习题14- 226 -
参 考 文 献- 227
内容摘要
本书从应用角度出发，全面系统地介绍了MATLAB软件及其在自动控制中的应用。全书通过大量实际应用案例详细阐述利用MATLAB进行控制系统分析与设计的方法。 全书内容精练、实用，案例典型，图文并茂，是教学团队多年实践教学成果的总结。
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