MATLAB控制系统仿真教程

适读人群 ：本书可作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、测控技术、控制工程等相关专业学生的教学参考用书，也可作为相关领域的工程技术和研究人员的参考用书。
本书以控制系统的分析和设计为对象，以MATLAB为工具，既介绍了控制系统的特点与分析方法，又介绍了MATLAB的应用问题。结合目前大学教育的现状，本书在内容上采取了以下的几种处理方法。
（1） 内容的安排紧扣自动控制原理课程的内容，因此，本书既可以独立存在，也可以作为自动控制原理课程的辅助教材。
（2） 注重上机实践，本书设置了大量的实验内容和练习题。为适应上机教学需要，本书第8章设计了17个实验项目。通过编程和上机练习，学生可以进一步理解控制系统的基本理论和计算机辅助工具的用法及作用。
（3） 理论内容尽量少而精，重点阐述如何利用MATLAB工具解决实际工程问题，从而适应有限学时的教学要求。
（4） 结合教学科研工作实践，本书以教案为蓝本编写而成，书中所述的大部分内容和例子，是编者多年来从事教学与科研的成果。

本书根据自动控制系统的特点和实践需要，从MATLAB/Simulink基础知识、控制系统数学模型、控制系统分析、控制系统工具箱、控制仿真实验等几个方面讲述了运用MATLAB进行自动控制系统分析和设计的方法。

全书分为9章，包括：自动控制系统仿真概述、MATLAB语言基础、Simulink仿真工具、自动控制系统数学模型、控制系统仿真分析、控制系统校正、控制系统工具箱、自动控制仿真实验、自控系统仿真实验室设计，其中自动控制仿真实验为学生设置了17个课程实验（每个实验可以安排学生2学时上机完成）。

为了方便教学，本书还配有电子课件等教学资源包，任课教师和学生可以登录“我们爱读书”网（www.ibook4us.com）免费注册并浏览，或者发邮件至hustpeiit@163.com免费索取。

本书可作为高等院校自动化、电气工程及其自动化、测控技术、控制工程等相关专业学生的教学参考用书，也可作为相关领域的工程技术和研究人员的参考用书。

第1章控制系统仿真概述（）

1.1系统模型与仿真的概念（）

1.1.1系统模型 （）

1.1.2系统仿真（）

1.2控制系统仿真的类型及实现（）

1.2.1控制系统仿真分类（）

1.2.2控制系统仿真的实现（）

1.3系统仿真的应用与发展（）

1.3.1系统仿真的应用（）

1.3.2系统仿真的发展现状（）

1.3.3系统仿真技术的发展趋势（）

习题1（）


第2章MATLAB语言基础（）

2.1MATLAB开发环境（）

2.1.1安装与启动（）

2.1.2组成与界面（）

2.1.3MATLAB的常用命令（）

2.1.4两个简单实例（）

2.2MATLAB数值计算（）

2.2.1数据类型（）

2.2.2矩阵运算（）

2.2.3数组运算（）

2.2.4常用的基本数学函数（）

2.2.5符号运算（）


2.3MATLAB绘图（）

2.3.1图形窗口与坐标系（）

2.3.2二维绘图（）

2.3.3三维绘图（）

2.3.4图形输出（）

2.4MATLAB程序设计（）

2.4.1M文件（）

2.4.2程序控制结构（）

习题2（）


第3章Simulink仿真（）

3.1Simulink应用环境（）

3.1.1Simulink简介（）

3.1.2Simulink工具箱的运行（）

3.1.3常用模块介绍（）

3.2Simulink功能模块操作（）

3.2.1模块基本操作（）

3.2.2模块的连接（）

3.2.3模块参数设定（）

3.3模型仿真设置（）

3.3.1概述（）

3.3.2设置解法器(Solver)选项卡参数（）

3.3.3设置数据输入/输出(Data Import/Export)选项卡参数（）

3.3.4仿真结果图形输出处理（）

3.4Simulink仿真简明实例（）

3.4.1新模型创建（）

3.4.2模型模块的添加（）

3.4.3模型模块的移动（）

3.4.4模块参数设置（）

3.4.5模型模块的连接（）

3.4.6保存模型（）

3.4.7模型仿真（）

3.5子系统建模技术（）

3.5.1子系统的建模方法（）

3.5.2子系统的建模操作步骤（）

3.5.3子系统的建模实例（）

3.5.4Simulink子系统的封装技术（）

习题3（）


第4章控制系统数学模型（）

4.1控制系统微分方程（）

4.1.1微分方程（）

4.1.2微分方程建立实例（）

4.2控制系统传递函数（）

4.2.1传递函数的基本概念（）

4.2.2传递函数的MATLAB描述形式（）

4.2.3典型环节数学模型（）

4.3状态空间描述（）

4.3.1状态空间函数模型简述（）

4.3.2状态空间函数的MATLAB相关函数（）

4.3.3建立状态空间函数模型实例（）

4.4模型的转换（）

4.4.1模型转换关系（）

4.4.2模型转换函数（）

4.4.3模型转换实例（）

4.5模型的连接（）

4.5.1串联方式（）

4.5.2并联方式（）

4.5.3反馈连接（）

4.5.4模型连接综合实例（）

习题4（）



第5章控制系统仿真分析（）

5.1自动控制系统概述（）

5.1.1自动控制系统的组成（）

5.1.2自动控制系统的控制方式（）

5.1.3控制系统的基本要求（）

5.2时域分析（）

5.2.1时域分析的一般方法（）

5.2.2稳定性分析（）

5.2.3常用时域分析函数（）

5.2.4应用实例（）

5.3根轨迹分析（）

5.3.1根轨迹分析的一般方法（）

5.3.2常用分析函数（）

5.3.3应用实例（）

5.4频域分析法（）

5.4.1频域分析的一般方法（）

5.4.2基于频域分析法的系统性能分析（）

5.4.3常用分析函数（）

5.4.4频域分析的实例（）

习题5（）


第6章控制系统校正（）

6.1控制系统设计指标（）

6.1.1控制系统的性能指标（）

6.1.2控制系统的时域性能指标（）

6.1.3控制系统的频域性能指标（）

6.2控制系统校正方法（）

6.2.1串联校正（）

6.2.2反馈校正（）

6.3基于根轨迹的校正（）

6.3.1根轨迹法串联超前校正（）

6.3.2根轨迹法串联滞后校正（）

6.3.3根轨迹法串联滞后超前校正（）

6.4基于频域分析法的系统校正（）

6.4.1基于频域分析法的串联超前校正（）

6.4.2基于频域分析法的串联滞后校正（）

6.4.3基于频域分析法的串联滞后超前校正（）

习题6（）



第7章控制系统工具箱（）

7.1线性时不变系统浏览器(LTI Viewer)（）

7.1.1LTI浏览器的启动（）

7.1.2不同响应曲线绘制（）

7.1.3响应曲线绘制布局改变（）

7.1.4系统时域与频域性能分析（）

7.1.5图形界面的参数设置（）

7.1.6系统分析实例（）

7.2单输入单输出系统设计工具(SISO Design Tool)（）

7.2.1SISO设计器的启动（）

7.2.2系统模型输入（）

7.2.3系统模型设计与验证（）

7.2.4设计实例（）

习题7（）


第8章自动控制仿真实验（）

8.1实验1MATLAB基本操作（）

8.2实验2符号运算与矩阵运算（）

8.3实验3MATLAB程序设计基础（）

8.4实验4Simulink仿真的环境与使用（）

8.5实验5MATLAB模型建立与传递函数输入（）

8.6实验6MATLAB模型转换与连接（）

8.7实验7时域响应基本分析（）

8.8实验8时域响应性能指标分析及LTI Viewer使用（）

8.9实验9线性系统时域稳定性分析（）

8.10实验10线性系统时域响应稳态误差分析（）

8.11实验11根轨迹基本分析（）

8.12实验12根轨迹分析系统性能（）

8.13实验13频率响应基本分析 （）

8.14实验14线性系统频率响应性能分析（）

8.15实验15基于Sisotool工具的系统校正（）

8.16实验16综合实验（）

8.17实验17自动控制原理仿真实验室（）


第9章自控系统仿真实验室设计（）

9.1图形用户界面(GUI)简介（）

9.2仿真实验设计介绍（）

9.2.1自动控制原理实验方法（）

9.2.2仿真实验总体结构设计（）

9.2.3仿真实验的实现（）

9.3仿真实验界面的建立（）

9.3.1引入通道的建立（）

9.3.2操作通道的建立（）

9.3.3实验界面制作的总结（）

9.4实验的实现（）

9.4.1二阶系统模型建立（）

9.4.2二阶系统阶跃响应曲线（）

9.4.3课本实验的演示（）

9.5实验平台设计总结（）

习题9（）

参考文献（）

第3章
Simulink仿真



3.1Simulink应用环境


3.1.1Simulink简介

Simulink是由美国MathWorks软件公司在二十世纪九十年代开发的，为MATLAB提供的控制系统模型图形输入仿真工具，它是MATLAB的重要组成部分，是一个基于信号流图的动态仿真系统，用于模拟系统的特性和响应，对动态系统进行仿真分析，可以根据使用和设计要求，对系统进行设计、修改和优化。Simulink可以用于线性和非线性系统的仿真，并能用于设计连续时间、离散时间或二者混合的系统，同时也支持多采样频率系统。总之，Simulink具有相对独立的功能和使用方法。

在一些实际工程应用中，若实际系统的结构过于复杂，导致常规的建模方法不适用，这时，就可以采用功能完善的Simulink工具箱来建立此类系统的数学模型。Simulink工具箱具有两个重要功能：Simu(仿真)与Link(连接)，也就是可以利用鼠标在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用Simulink提供的功能来对系统进行仿真或线性化分析。

Simulink同时提供了图形化用户界面(GUI)，可将系统分为从高级到低级的几个层次，每层又可以细分为几个部分，每层子系统构建完成后，将各层连接起来就可构成一个完整的系统。

在系统模型创建完成后，运行仿真，启动系统内置的分析工具来分析系统的动态特性。仿真结果的保存有两种：一种用示波器来显示输出波形，另一种是以变量形式保存输出结果，并可以将输出变量重新输入到MATLAB中完成进一步的分析。

MATLAB提供的实现动态系统建模仿真的强大功能的Simulink软件包，使用户把精力从复杂的程序编写转向简便的模型构建。

与MATLAB的其他各种工具箱相比较，Simulink具有特别的结构和使用方法。一般工具箱只是面向某一学科，根据学科知识与要求，采用MATLAB语言进行程序编写，然后把程序包集中起来，而Simulink却是从底层开发出来的，它是一个完整且相对独立的仿真环境和图形界面。

在MATLAB中，文本窗口用于编程（如M文件编辑器），图形窗口只是用来显示，而在Simulink的图形窗口中，可以用事先定义好的模块框图的绘制来代替文本程序的编写，这些模块框图的属性可以进行设置。用户只需使用鼠标，就可以非常简单地完成系统模型的创建、调试和仿真甚至设计。

使用Simulink的三大步骤如下：

(1) 模型创建与定义：通过分析系统，对其进行建模；

(2) 模型的分析：在Simulink中对模型进行仿真，分析模型与系统的关系；

(3) 模型的修正：根据仿真结果对模型进行修正。

通过重复执行上述三大步骤就可以实现系统的最优化。

3.1.2Simulink工具箱的运行

1. Simulink的运行步骤

Simulink的运行步骤如图31所示。


图31Simulink的运行步骤



先打开Simulink，然后打开模型创建窗口，在模块库中选择模块输入到模型创建窗口。

1) 打开Simulink的三种方式

(1) 在命令窗口中键入Simulink命令。

(2) 在命令窗口下点击Simulink图标。

(3) File→New→Model。

打开Simulink库浏览器(SimulinkLibrary Browser)窗口后，先观察simulink树状列表形式的模块库，它包含了simulink模块库中的各种模块 。

2) 打开模型创建窗口

在工具栏中选择建立新模型图标(Create a new model)，弹出名为Untitled的空白窗口，如果要完成已有模型的调试、修改，可以选择Open图标打开存于硬盘中已建立的模型。

3) 选择建模模块

首先展开Simulink库浏览器左侧模块库树状列表，然后用鼠标单击模块项，所选模块类的具体模块就在库浏览器的右侧列表显示出来。如果用户知道建模模块的名称时，也可以在输入栏中键入模块名，点击Find按键进行查找。

2. 打开一个模型

打开一个存在的模型其步骤如下。

(1) 在SimulinkLibrary Browser中选择File→Open，出现了打开对话框。

(2) 选择你想要的模型(.md1文件），然后点击Open，在模型窗口中软件打开了一个选择的模型。

3.1.3常用模块介绍

Simulink软件提供16种标准的模块库，下面的表格描述了每种模块库的功能。表31所示为Simulink标准模块库。




表31Simulink标准模块库




序号
模块库(Block Library)
描述 (Description)

1
通用模块

(Commonly Used Blocks)
包含最通常用的模块，例如Constant， In1， Out1， Scope和Sum模块。这个库的模块也包含在其他库里。
2
连续系统模块

(Continuous)
具有模拟线性功能的模块，例如Derivative and Integrator模块。
3
非连续模块

(Discontinuities)
具有模拟非线性功能的模块，例如Saturation模块。
4
离散系统模块

(Discrete)
能代表离散功能的模块，例如Unit Delay模块。
5
逻辑和位操作模块

(Logic and Bit Operations)
包含了能执行逻辑和大型运算的模块，例如Logical Operator and Relational Operator模块。
6
查找表模块

(LookUp Tables)
使用检查表格来确定他们的输出是否从输入得来的模块，例如Cosine and Sine模块。
7
数学运算模块

(Math Operations)
具有数学和逻辑功能的模块，例如Gain， Product和 Sum模块。
8
模型检测模块

(Model Verification)
能创建自我验证模型的模块，例如Check Input Resolution模块。
9
模型扩充模块

(ModelWide Utilities)
能提供模型信息的模块，例如Model Info模块。
10
端口和子系统模块

(Ports & Subsystems)
能创建子系统的模块，例如In1、Out1和Subsystem模块。
11
信号属性模块

(Signal Attributes)
能修改信号属性的模块，例如Data Type Conversion模块。
12
信号线路模块

(Signal Routing)
能从模块表的一点发送信号到另一点的模块，例如Mux和Switch模块。
13
输出模块

(Sinks)
能展示和输出最后结果的模块，例如Out1和Scope模块。
14
信号源模块

(Sources)
能产生或者是输入系统输入的模块，例如Constant、In1和Sine Wave模块。
15
用户自定义函数模块

(UserDefined Functions)
能定义习惯功能的模块，例如Embedded MATLABTM Function模块。
16
附加数学与离散模块

(Additional Math & Discrete)
为数学和离散功能模块添加的两个库。

在这16个标准模块库中，自动控制系统仿真时所用到的模块主要有连续系统模块、离散系统模块、数学运算模块、输出模块、信号源模块和用户自定义函数模块等。

控制系统仿真技术是近几十年发展起来的，建立在控制理论、系统科学与辨识、计算机技术等学科上的综合性很强的实验科学技术，它为自动控制系统的分析、设计和综合研究提供了先进的手段。同时，仿真实验作为一种科学研究手段，具有不受设备和环境条件限制、不受时间和地点限制、投资小等优点而得到人们越来越多的重视。
在众多仿真软件中，适用于控制系统计算机辅助设计的软件很多，MATLAB（矩阵实验室）以其模块化的计算方法，可视化与智能化的人机交互功能，丰富的矩阵运算、图形绘制、数据处理函数以及模块化图形组态的动态系统仿真工具Simulink，成为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统，是目前高等院校与科研院所广泛使用的优秀应用软件。
本书以控制系统的分析和设计为对象，以MATLAB为工具，既介绍了控制系统的特点与分析方法，又介绍了MATLAB的应用问题。结合目前大学教育的现状，本书在内容上采取了以下的几种处理方法。
（1） 内容的安排紧扣自动控制原理课程的内容，因此，本书既可以独立存在，也可以作为自动控制原理课程的辅助教材。
（2） 注重上机实践，本书设置了大量的实验内容和练习题。为适应上机教学需要，本书第8章设计了17个实验项目。通过编程和上机练习，学生可以进一步理解控制系统的基本理论和计算机辅助工具的用法及作用。
（3） 理论内容尽量少而精，重点阐述如何利用MATLAB工具解决实际工程问题，从而适应有限学时的教学要求。
（4） 结合教学科研工作实践，本书以教案为蓝本编写而成，书中所述的大部分内容和例子，是编者多年来从事教学与科研的成果。
本书由武昌理工学院唐穗欣担任主编；由青岛理工大学琴岛学院王磊，武汉华夏理工学院苏明霞、熊薇薇，武昌理工学院吴艳玲、邹熙，武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司王斌工程师担任副主编。全书分为9章，唐穗欣编写了第1章、第3章、第8章，王磊编写了第4章，苏明霞编写了第5章，吴艳玲编写了第2章，熊薇薇编写了第6章和第7章，邹熙编写了第9章，王斌工程师对课后习题与答案进行了整理，完成教材的校对，全书由唐穗欣老师统稿。本书的编写过程中，涉及工程设计实践部分的第9章的内容吸取了武昌理工学院自动化专业11级学生林梦娟学士毕业设计论文的部分思路；作者的多位同事也给予了不同形式的帮助和支持。在此，作者一并表示衷心的感谢，本书的编写还参考了大量相关文献，在此向这些文献的作者表示感谢！
为了方便教学，本书还配有电子课件等教学资源包，任课教师和学生可以登录“我们爱读书”（www.ibook4us.com）免费注册并浏览，或者发邮件至hustpeiit@163.com免费索取。
由于编者个人水平和经验有限，书中错误与不当之处在所难免，恳请专家、读者批评指正。