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张袅娜，冯雷编 著

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• 理论与实践

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111448624

商品编码：29699585291

包装：平装

出版时间：2014-01-01

基本信息

书名:控制系统仿真(21世纪高等院校电气信息类系列教材)

定价：33.00元

售价：22.4元,便宜10.6元,折扣67

作者:张袅娜,冯雷编

出版社：机械工业出版社

出版日期：2014-01-01

ISBN：9787111448624

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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　　《控制系统仿真/21世纪高等院校电气信息类系列教材》从工程应用角度出发，为控制系统的分析、设计和综合研究提供了先进的技术手段；从MATLAB/Simulink基础知识、控制系统数学模型、控制系统分析、控制器设计、控制系统仿真实验等几个方面讲述了运用MATLAB进行控制系统分析和设计的方法。《控制系统仿真/21世纪高等院校电气信息类系列教材》共分7章，包括控制系统仿真的基本概念与步骤、MATLAB语言基础、Simulink仿真工具、控制系统数学模型、控制系统时域分析、频域分析、稳定性分析、根轨迹分析法、线性系统的状态可控性与状态可观性分析、李雅普诺夫稳定性分析、控制器设计、控制系统仿真实验等内容。各章通过具体的应用实例和习题帮助读者理解和掌握自动控制原理、现代控制理论以及MATLAB/Simulink相关功能和工具的使用。
　　《控制系统仿真/21世纪高等院校电气信息类系列教材》各章节之间的内容既相互联系又相对独立，读者可根据需要进行选择性阅读。本书可作为高等院校控制工程、自动化、机电、测控技术等专业学生和研究生的教学参考用书，也可作为相关领域的工程技术和研究人员的参考用书。

目录

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出版说明
前言
章 绪论
1.1 控制系统仿真的基本概念
1.1.1 仿真的基本概念
1.1.2 计算机仿真的分类
1.1.3 控制系统仿真
1.2 控制系统仿真研究的步骤
1.3 控制系统仿真的应用和发展
1.3.1 控制系统仿真的应用
1.3.2 控制系统仿真的发展
1.4 MATLAB/Simulink简介
1.4.1 MATLAB简介
1.4.2 Simulink简介
1.5 本章小结
第2章 MATLAB语言基础
2.1 MATLAB的编程环境
2.1.1 MATLAB启动和退出
2.1.2 MATLAB的命令窗口
2.1.3 MATLAB的工作空间
2.1.4 当前目录窗口
2.1.5 命令历史窗口
2.1.6 MATLAB文件管理
2.1.7 MATLAB帮助使用
2.1.8 数据交换系统
2.2 MATLAB基础知识
2.2.1 变量与常量
2.2.2 数字变量的运算及显示格式
2.2.3 字符串
2.3 矩阵运算
2.3.1 矩阵生成
2.3.2 矩阵基本操作
2.3.3 矩阵运算
2.4 数组运算
2.4.1 基本数学运算
2.4.2 关系运算
2.4.3 逻辑运算
2.4.4 基本初等函数
2.5 符号运算
2.6 矩阵函数
2.6.1 三角分解法
2.6.2 正交分解法
2.6.3 奇异值分解法
2.6.4 特征值分解法
2.6.5 矩阵的秩
2.6.6 多项式
2.7 MATLAB常用绘图命令
2.7.1 二维图形的绘制
2.7.2 三维图形
2.7.3 图形的输出
2.8 MATLAB程序设计
2.8.1 M文件编辑器
2.8.2 MATLAB程序类型
2.8.3 函数变量及变量作用域
2.8.4 子函数与私有函数
2.8.5 交互式输入
2.8.6 MATLAB程序流程控制
2.9 本章小结
习题
第3章 Simulink仿真工具
3.1 运行Simulink演示程序
3.2 Simulink模型的建立
3.2.1 Simulink模型窗口
3.2.2 Simulink模块库简介
3.2.3 Simulink模块的操作
3.2.4 模块的连接
3.2.5 模块的参数修改
3.2.6 Simulink模块的联机帮助系统
3.2.7 Simulink模型的输出与打印
3.2.8 Simulink模型举例
3.3 Simulink的仿真方法
3.3.1 仿真过程的设置
3.3.2 系统仿真
3.3.3 模糊控制系统的仿真
3.4 S-函数
3.4.1 S-函数的工作方式
3.4.2 用MATLAB语言编写S-函数
3.4.3 用C语言编写S-函数
3.5 本章小结
习题
第4章 控制系统数学模型
4.1 动态过程微分方程描述
4.2 动态过程的传递函数描述
4.2.1 传递函数定义与性质
4.2.2 传递函数零极点表示
4.2.3 传递函数的部分分式表示
4.2.4 典型环节的传递函数及其时域响应
4.2.5 高阶系统的时域分析
4.3 动态过程状态空间描述
4.4 系统模型转换及连接
4.4.1 模型转换
4.4.2 模型连接
4.5 本章小结
习题
第5章 控制系统分析
5.1 时域分析
5.1.1 典型输入信号
5.1.2 动态性能指标
5.1.3 线性系统时域响应
5.1.4 时域分析相关的MATLAB函数
5.1.5 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用
5.2 稳定性分析
5.2.1 稳定性基本概念
5.2.2 稳定性判据
5.2.3 稳态误差计算
5.2.4 MATLAB在稳定性分析中的应用
5.3 根轨迹分析
5.3.1 幅值条件和相角条件
5.3.2 绘制根轨迹的一般法则
5.3.3 广义根轨迹
5.3.4 根轨迹分析相关的MATLAB函数
5.3.5 MATLAB在绘制根轨迹图中的应用
5.4 频域分析
5.4.1 频率特性
5.4.2 典型环节频率响应分析
5.4.3 闭环频率响应分析
5.4.4 稳定性分析
5.4.5 频域分析相关的MATLAB函数
5.4.6 MATLAB在绘制频率特性中的应用
5.5 线性系统的状态可控性与状态可观性分析
5.5.1 状态可控性
5.5.2 状态可观性
5.5.3 MATLAB在状态可控性和可观性分析中的应用
5.6 李雅普诺夫稳定性分析
5.6.1 李雅普诺夫法
5.6.2 李雅普诺夫第二法
5.6.3 利用MATLAB进行系统稳定性分析
5.7 本章小结
习题
第6章 控制器设计
6.1 PID控制器设计
6.1.1 PID控制器概述
6.1.2 比例控制器
6.1.3 积分控制器
6.1.4 比例积分控制器
6.1.5 比例微分控制器
6.1.6 比例积分微分控制器
6.2 PID控制器参数整定
6.2.1 Ziegler-Nichols整定法
6.2.2 临界振荡法
6.2.3 衰减曲线法
6.2.4 凑试法
6.3 控制系统校正的根轨迹法
6.3.1 基于根轨迹法的超前校正
6.3.2 基于根轨迹法的滞后校正
6.3.3 基于根轨迹法的超前滞后校正
6.4 控制系统校正的频率响应法
6.4.1 基于频率法的超前校正
6.4.2 基于频率法的滞后校正
6.5 状态反馈与极点配置
6.5.1 状态反馈
6.5.2 输出反馈
6.5.3 极点配置
6.6 状态观测器
6.7 本章小结
习题
第7章 控制系统仿真实验
7.1 MATLAB平台认识实验
7.2 MATLAB绘图
7.3 控制系统的阶跃响应
7.4 控制系统的根轨迹作图
7.5 直流电动机调速系统
7.6 交流电动机调速系统
7.7 本章小结
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《现代控制理论及其工程应用》 内容简介： 本书全面深入地探讨了现代控制理论的核心概念、数学模型、分析方法以及在各类工程领域中的实际应用。旨在为读者构建坚实的理论基础，并培养解决复杂工程问题的实践能力。全书共分为十章，由浅入深，逻辑清晰，既注重理论的严谨性，又强调工程的实用性，力求做到理论与实践的有机结合。 第一章 绪论 本章首先回顾了经典控制理论的发展历程及其局限性，引出发展现代控制理论的必要性。接着，详细阐述了现代控制理论的优势，包括其能够处理多输入多输出（MIMO）系统、非线性系统以及时变系统等。本章还介绍了控制系统仿真的重要性，为后续章节的学习奠定基础。最后，概述了本书的整体框架和学习目标，帮助读者对全书内容有一个初步的认识。 第二章 线性系统状态空间描述 本章是现代控制理论的基石。首先，详细介绍了状态空间方法的概念，包括状态变量、状态向量、输入向量和输出向量的定义。然后，深入讲解了如何从系统物理模型（如电路、机械系统、热力学系统等）出发，建立系统的线性定常（LTI）状态空间方程，包括连续时间和离散时间系统。讲解了不同形式的状态空间表示，如约当标准型、对角型等，并分析了它们之间的转换。此外，本章还引入了系统的输入-状态-输出关系，以及如何通过状态空间方程计算系统的零输入响应和零状态响应。对理解和分析线性系统的动态行为至关重要。 第三章 线性定常系统的时域分析 在掌握了状态空间描述后，本章将重点关注线性定常系统在时域中的动态特性分析。详细讲解了系统的可控性与可观性概念，这是设计控制器和状态估计器的必要条件。通过数学推导和实例分析，阐明了如何判断系统的可控性和可观性，并讨论了可控规范型和可观规范型。本章还深入研究了系统的稳定性，包括李雅普诺夫稳定性、渐近稳定性以及指数稳定性，并介绍了李雅普诺夫第二方法作为判断系统稳定性的强大工具。最后，讲解了瞬态响应分析，如单位阶跃响应、冲激响应的计算与特性，为理解系统对输入信号的动态反应提供深入见解。 第四章 线性定常系统的频域分析 虽然现代控制理论以状态空间为主，但频域分析在实际工程中仍然具有不可替代的价值。本章将把状态空间模型转换为频域表示，如传递函数矩阵。详细介绍了系统的频率响应，包括幅频特性和相频特性，以及它们如何反映系统的带宽、峰值增益、相位裕度等重要指标。本章还讨论了如何利用波特图、尼奎斯特图和根轨迹图来分析系统的稳定性、动态性能和鲁棒性。通过频域分析，可以更好地理解系统对不同频率信号的敏感度，为系统设计和故障诊断提供依据。 第五章 状态反馈控制 本章是现代控制理论在控制器设计中的核心内容。详细阐述了状态反馈控制的基本思想，即利用系统的状态信息来改变系统的动态性能。深入讲解了极点配置（Pole Placement）技术，包括如何通过状态反馈将系统的闭环极点任意配置到期望的位置，从而达到预期的性能指标（如响应速度、阻尼比等）。介绍了 Ackermann 公式和线性矩阵不等式（LMI）等求解状态反馈增益矩阵的方法。本章还讨论了可控性在极点配置中的作用，以及如何处理不可控子系统的情况。 第六章 状态观测器设计 在许多实际应用中，系统的所有状态变量可能无法直接测量。本章介绍了状态观测器的设计，其目的是通过系统的输入和输出信息来估计系统的内部状态。详细讲解了 Luenberger 观测器的工作原理，包括如何根据系统的模型设计观测器增益，使其能够快速准确地跟踪系统的真实状态。讨论了观测器与状态反馈相结合的闭环系统设计，即称为“状态反馈与观测器结合”的控制器。本章还分析了观测器性能与系统极点配置的关系，以及如何处理测量噪声对观测器性能的影响。 第七章 PID 控制器的现代设计方法 PID 控制器是工业界最广泛应用的控制器之一。本章将从现代控制理论的视角，重新审视 PID 控制器的设计。结合状态空间模型和现代控制理论的分析工具，讨论如何为 PID 控制器选择最优的参数。引入了模型预测控制（MPC）的思想，将其应用于 PID 参数整定，以提高控制性能和鲁棒性。还介绍了如何利用系统辨识技术获取被控对象的模型，并在此基础上设计 PID 控制器。本章旨在将 PID 控制器与现代控制理论的先进方法相结合，使其设计更加科学和高效。 第八章 非线性控制系统基础 现实世界中的许多控制系统都表现出非线性特性。本章将引入非线性控制系统的基本概念和分析方法。详细介绍了反馈线性化技术，它能够将非线性系统转化为等效的线性系统，从而可以使用线性控制理论进行设计。讲解了李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统分析中的应用，包括直接法和间接法。本章还介绍了一些典型的非线性控制策略，如滑模控制、模糊控制和神经网络控制等，并分析了它们在处理强非线性、不确定性系统中的优势。 第九章 模型预测控制 (MPC) 模型预测控制（MPC）是一种先进的控制策略，它利用被控对象的预测模型，通过求解一个优化问题来生成控制序列。本章详细介绍了 MPC 的基本原理，包括滚动优化、预测模型、成本函数和约束条件。讲解了线性 MPC 和非线性 MPC 的设计方法，以及如何处理各种工程约束（如输入约束、状态约束）。本章还讨论了 MPC 在工业自动化、过程控制、机器人等领域的广泛应用，以及其在提高系统性能、鲁棒性和节能方面的优势。 第十章 控制系统仿真与工程实践 本章将聚焦于控制系统仿真的工具和方法。介绍了几种主流的控制系统仿真软件，如 MATLAB/Simulink、LabVIEW 等，并讲解了如何利用这些软件建立系统模型、设计控制器、进行仿真分析和验证。强调了仿真在控制系统设计流程中的重要性，包括模型验证、参数优化、性能评估和故障诊断。本章还结合具体的工程实例，如航空航天、汽车控制、电力系统等，展示现代控制理论在解决实际工程问题中的应用，并分享一些工程实践中的经验和技巧。 总结： 《现代控制理论及其工程应用》是一本面向电气信息类及相关专业的本科生和研究生教材，同时也适合从事控制系统设计、开发和应用工作的工程师阅读。通过系统学习本书内容，读者将能够深入理解现代控制理论的精髓，掌握先进的控制系统设计方法，并具备将理论知识应用于解决实际工程问题的能力。本书力求在理论深度和工程实践之间取得平衡，为读者在控制科学与工程领域的发展打下坚实基础。

评分☆☆☆☆☆

这本《控制系统仿真》的教材真是让人眼前一亮，它深入浅出地介绍了现代控制理论中的核心概念，尤其是那些在实际工程中应用广泛的仿真技术。我印象最深的是书中对于状态空间模型和传递函数模型的详细剖析，作者没有仅仅停留在理论推导上，而是非常注重如何将这些抽象的数学工具转化为计算机可以处理的语言。书中对MATLAB/Simulink环境的讲解非常到位，手把手的教程让初学者也能很快上手建立自己的仿真模型。特别是关于非线性系统的仿真部分，提供了多种数值积分方法的比较分析，这对于理解仿真精度和计算效率之间的权衡至关重要。举个例子，书中对李雅普诺夫稳定性分析在仿真中的应用进行了清晰的演示，这远比单纯的教科书上的理论推导要直观得多，帮助我真正理解了系统动态行为的内在机制。这本书的图文并茂的排版也使得复杂的概念易于消化，是一本非常实用的工具书。

评分☆☆☆☆☆

作为一名研究生，我发现自己越来越需要一本能够衔接课堂教学和科研工作的参考书。这本《控制系统仿真》恰好填补了这一空白。它的深度足够支持我进行更复杂的课题研究，特别是关于大型复杂系统建模与仿真的章节，给出了非常系统的建模流程指导。我曾经在一个大型机械臂控制项目中遇到建模难题，参考了书中关于多输入多输出（MIMO）系统建模和仿真联调的章节后，很多困惑迎刃而解。它不仅关注了时间域的响应，还对频域分析，比如波德图、奈奎斯特图在仿真环境下的生成和解读进行了详细阐述，这对于系统稳定性裕度的评估至关重要。这本书的价值在于它提供了一套完整的、可操作的仿真工作流程，而不是零散的知识点堆砌。

评分☆☆☆☆☆

这本书的组织结构非常清晰，逻辑性强到令人称赞。它从基础的系统描述开始，逐步过渡到复杂系统的建模，再到先进控制方法的仿真实现和性能评估，每一步都衔接得非常自然流畅。我注意到，作者在每个仿真实例中都非常注重对参数变化的敏感性分析，这一点在实际工程中是至关重要的，因为真实世界的参数总是在变动的。书中对仿真误差的分析和处理也十分到位，指出了诸如步长选择不当可能导致的数值不稳定现象，并提供了相应的解决策略。这种细致入微的讲解，体现了作者深厚的实践经验。它不仅仅是一本教材，更像是一本高质量的、面向工程实践的“仿真手册”，使得学习过程中的挫败感大大降低，取而代之的是解决问题的成就感。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我对传统的控制理论教材常常感到枯燥乏味，充斥着大量的希腊字母和复杂的矩阵运算，读起来非常吃力。然而，这本教材在保持严谨性的同时，成功地营造了一种鼓励探索和实验的学习氛围。书中对各种经典控制系统的仿真案例分析得非常透彻，比如PID控制器的整定、超调和响应速度之间的折衷，书中不仅有理论公式，更有大量的仿真曲线对比，让人一目了然。我尤其喜欢其中关于鲁棒控制和H无穷控制的概念介绍，作者巧妙地将这些前沿理论与仿真验证结合起来，让这些看似高深的知识变得触手可及。它强调的是“看”和“做”，而不是死记硬背公式，这对于培养工程思维是极其宝贵的。这本书真正做到了让仿真成为理解控制理论的桥梁，而不是一个简单的计算工具。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究数字控制器的设计，手头参考了几本不同的教材，但感觉很多都偏向于纯理论的推导，对于实际的实现和调试缺乏足够的指导。直到我接触到这本教材，它在这方面的侧重点让我非常满意。书中详细介绍了离散化技术，比如零阶保持器和一阶保持器的选择对系统性能的影响，并且非常具体地展示了如何利用仿真平台验证不同离散化方法的优劣。更让我感到惊喜的是，它还涵盖了系统辨识和参数估计的仿真实现，这在很多经典教材中是很难找到的深入内容。阅读这些章节时，我感觉作者仿佛是一位经验丰富的工程师在现场指导，他不仅告诉你“该怎么做”，更告诉你“为什么要这么做”，以及“这么做可能会遇到什么问题”。这种实践导向的叙述方式，极大地提高了我的学习效率和对理论的掌握深度。