控制系統建模、仿真與設計——基於MATLAB/Simulink的分析與實現

"李怡然  北京理工大學實驗師、碩士研究生導師。深耕控制理論相關實踐教學改革，主講“自動控制理論課程設計”“自動控制理論研究型實驗”“系統建模、仿真與控制”“MATLAB自動化工程的應用”等多門課程。開展“雙一流”背景下課程建設研究，發表核心期刊教改論文3篇，出版教材1部；參與建設北京理工大學自動化學院徐特立班核心課程“控制科學基本原理及應用”，參與建設“流體傳動及控制基礎”課程思政入選教育部課程思政示範課程；參與建設課程“控制科學基本原理及應用”入選北京高校優質本科課程和國家級一流本科課程（線下課程）。孫中奇  北京理工大學副教授，博士研究生導師。長期從事無人駕駛車輛決策與控制、模型預測控制等研究。開展“雙一流”背景下博士研究生培養方法研究，發表核心期刊教改論文2篇；參與建設北京理工大學自動化學院徐特立班核心課程“控制科學基本原理及應用”，參與建設北京理工大學自動化學院徐特立班“明睛計劃”課程“工程導論”，參與建設課程“控制科學基本原理及應用”入選北京高校優質本科課程和國家級一流本科課程（線下課程）。搭建“空地協同實驗平臺”入選“2022中關村國際技術交易大會百項國際技術交易創新項目榜單”。吳楚格  北京理工大學助理教授，碩士研究生導師，主講“自動控制理論課程設計”“自動控制理論研究型實驗”。長期從事優化調度理論及算法相關研究，成果應用於雲計算、邊緣計算任務調度與資源分配，多智能體任務分配，供應鏈物流及庫存和產線調度等。"

目錄

 

第一篇MATLAB程序設計基礎

 

第1章MATLAB的基本應用

 

微課視頻20分鐘

 

 

1.1MATLAB入門

 

1.2命令行窗口

 

1.3腳本和實時腳本

 

1.3.1腳本

 

1.3.2實時腳本

 

1.3.3幫助和文檔

 

第2章矩陣和矩陣運算

 

微課視頻23分鐘

 

 

2.1矩陣的創建

 

2.1.1矩陣的構建

 

2.1.2創建特殊矩陣

 

2.1.3矩陣的串聯

 

2.1.4冒號表達式

 

2.1.5矩陣位置索引

 

2.1.6從矩陣中刪除行或列

 

2.2矩陣的基本運算

 

2.2.1矩陣的代數運算

 

2.2.2矩陣的點運算

 

2.2.3矩陣的邏輯運算與比較運算

 

2.2.4矩陣的轉置、翻轉與旋轉

 

2.2.5矩陣的基本分析

 

2.3創新案例

 

第3章圖形繪制與數據可視化

 

微課視頻13分鐘

 

 

3.1二維曲線的繪制

 

3.1.1二元數據的曲線繪制

 

3.1.2曲線圖形的屬性設置

 

3.1.3將多個圖形在同一窗口繪制

 

3.2三維圖形表示

 

3.2.1三維曲線繪制

 

3.2.2三維曲面繪制

 

3.2.3三維圖形視角設置

 

3.3創新案例

 

 

第4章MATLAB程序設計

 

微課視頻23分鐘

 

4.1程序控制結構

 

4.1.1順序結構

 

4.1.2選擇結構

 

4.1.3循環結構

 

4.2M文件編輯和調試

 

4.2.1斷點

 

4.2.2運行和單步調試

 

4.2.3節

 

4.3創新案例

 

 

第二篇MATLAB在自動控制理論中的應用

 

第5章線性控制系統的數學模型

 

微課視頻31分鐘

 

 

5.1控制系統數學描述

 

5.1.1傳遞函數模型

 

5.1.2狀態空間方程

 

5.1.3零極點增益模型

 

5.1.4離散系統傳遞函數模型

 

5.1.5離散系統狀態空間方程

 

5.2不同模型之間的轉換

 

5.2.1連續模型和離散模型之間的轉換

 

5.2.2狀態空間方程與傳遞函數之間的轉換

 

5.2.3傳遞函數的狀態空間實現

 

5.2.4系統最小實現

 

5.3控制系統框圖簡化

 

5.4創新案例

 

 

第6章線性系統性質分析

 

6.1線性系統穩定性分析

 

6.2線性系統可控性分析

 

6.3線性系統可觀測性分析

 

6.4創新案例

 

第7章線性系統時域分析

 

微課視頻33分鐘

 

7.1線性系統時域響應

 

7.1.1線性系統的階躍響應和脈沖響應

 

7.1.2零初始狀態系統響應

 

7.1.3線性系統任意初始狀態的響應

 

7.2典型二階系統的階躍響應

 

7.2.1二階系統時域動態性能指標及其數值計算方法

 

7.2.2二階系統時域動態性能指標解析解法

 

7.3創新案例

 

第8章線性系統根軌跡分析

 

微課視頻21分鐘

 

8.1根軌跡法

 

8.2創新案例

 

第9章線性系統頻域分析

 

9.1單變量線性系統頻域分析

 

9.2基於頻率特性的系統穩定性分析

 

9.3系統的幅值裕度和相位裕度

 

9.4創新案例

 

 

第三篇Simulink在自動控制理論中的應用

 

第10章Simulink與系統仿真

 

微課視頻22分鐘

 

10.1Simulink工作環境

 

10.1.1基礎模型建立

 

10.1.2基礎模型仿真實現

 

10.1.3Simulink模塊庫

 

10.2Simulink環境設置

 

10.2.1功能模塊操作

 

10.2.2設置仿真起止時間及步長

 

10.2.3參數設置方法

 

10.3與M文件組合仿真

 

10.3.1仿真運行命令

 

10.3.2仿真函數調用格式

 

10.4仿真案例

 

10.5子系統封裝

 

10.5.1子系統劃分

 

10.5.2與函數模塊組合仿真

 

第11章典型一階、二階系統的仿真與分析

 

11.1典型一階系統仿真

 

11.1.1比例環節

 

11.1.2積分環節

 

11.1.3微分環節

 

11.1.4慣性環節

 

11.1.5比例積分環節

 

11.1.6比例微分環節

 

11.2典型二階系統仿真

 

11.2.1頻率固定阻尼變化情況

 

11.2.2阻尼固定頻率變化情況

 

11.3創新案例

 

第12章系統穩定性及穩態誤差仿真與分析

 

12.1穩定性仿真與分析

 

12.1.1開環增益與閉環系統

 

12.1.2開環增益值對系統穩定性的影響

 

12.2穩態誤差仿真與分析

 

12.2.1穩態誤差的概念

 

12.2.2穩態誤差仿真實例

 

12.3創新案例

 

第13章串聯超前、滯後校正仿真與設計

 

13.1超前校正分析與仿真

 

13.1.1超前校正原理

 

13.1.2串聯超前校正設計

 

13.2滯後校正分析與仿真

 

 

13.2.1滯後校正原理

 

13.2.2串聯滯後校正

 

13.3創新案例

 

 

第14章PID控制器參數仿真與設計

 

14.1PID控制器介紹

 

14.2PID試湊原則

 

14.3PID控制器仿真案例

 

14.4創新案例

 

第15章非線性系統仿真與分析

 

微課視頻22分鐘

 

15.1Simulink非線性模塊

 

15.1.1時變系統仿真

 

15.1.2多值非線性環節仿真

 

15.2非線性系統的極限環仿真研究

 

15.3計算機控制系統仿真

 

15.4創新案例

 

 

第四篇典型控制系統實驗

 

第16章直流電機的控制系統分析與設計

 

微課視頻37分鐘

 

16.1直流電機系統模型

 

16.1.1直流電機電壓速度模型

 

16.1.2直流電機電壓位置模型

 

16.2直流電機系統時域分析

 

16.2.1一階閉環系統時域分析

 

16.2.2二階閉環系統時域分析

 

16.2.3系統穩態誤差分析

 

16.3直流電機系統頻域分析

 

16.4直流電機伺服系統雙閉環控制器設計

 

16.5直流電機二階系統的超前補償器設計

 

16.6參考實驗步驟

 

 

第17章旋轉倒立擺的控制系統分析與設計

 

17.1旋轉倒立擺數學模型

 

17.1.1穩擺控制數學模型

 

17.1.2起擺控制數學模型

 

17.2旋轉倒立擺穩擺控制

 

17.3旋轉倒立擺起擺控制

 

17.3.1能量控制

 

17.3.2混合控制

 

17.4旋轉擺LQR控制器設計

 

17.5參考實驗步驟

 

 

第五篇項目制控制系統設計案例

 

第18章垃圾分揀系統設計

 

微課視頻16分鐘

 

18.1項目背景

 

18.2項目任務

 

18.3系統結構

 

18.3.1硬件設備選型

 

18.3.2系統軟件模型

 

18.4項目實施過程

 

18.4.1項目制創新性實驗參考流程

 

18.4.2設計要點和創新點

 

第19章平衡球傳遞系統設計

 

19.1項目背景

 

19.2項目任務

 

19.3系統設計

 

19.3.1機械結構設計

 

19.3.2視覺位移檢測模型

 

19.3.3單體平衡球控制系統設計

 

19.3.4傳遞協作機制設計

 

19.3.5平衡球傳遞系統控制器設計

 

19.4項目實施過程

 

19.4.1項目制創新性實驗參考流程

 

19.4.2設計要點和創新點