緊密結合相關學科和技術的發展特點，以介紹基礎知識和培養應用能力為目標，注重應用型人才專業技能和實用技術的培養，使學生能夠系統地學習計算機控制與仿真的基本知識、基本理論及其應用技術，掌握計算機仿真的原理及仿真算法，熟練運用MATLAB和Simulink對控制系統進行仿真編程及調試、運行，培養扎實的實踐操作技能。

強調以應用技術為主線，通過實例分析強化實踐能力的鍛煉，使學生既掌握計算機控制與仿真應用的基本原理，又對新興技術有所跟蹤。

編排上由淺入深，循序漸進，重點突出，相關概念、理論及應用均以基本要求為主；在表達上做到層次清晰，脈絡分明，應用實例選擇合理，知識點講解到位，通俗易懂，突出實用的特點。

第二版前言

“計算機控制與仿真技術”是計算機類、機電類、控制類各專業的重要專業技術課程，是從事自動化、控制系統工程、計算機應用技術人員必須掌握的一門新型技術，在高新技術領域中控制系統的計算機仿真技術有著廣泛的應用前景。

編寫本教材的目的是為了適應當前科技的發展和實際工程技術應用的需要，緊密結合相關學科和技術的發展特點，以介紹基礎知識和培養應用能力為目標，注重應用型人才專業技能和實用技術的培養，為高等學校相關專業的學生提供幫助，使他們能夠系統地學習計算機控制與仿真的基本知識、基本理論及其應用技術，掌握計算機仿真的原理及仿真算法，熟練運用MATLAB和Simulink對控制系統進行仿真編程及調試、運行，培養扎實的實踐操作技能。在本課程的講授過程中，強調以應用技術為主線，通過實例分析強化實踐能力的鍛煉，使學生既掌握計算機控制與仿真應用的基本原理，又對新興技術有所跟蹤。教材內容在編排上由淺入深，循序漸進，重點突出，相關概念、理論及應用均以基本要求為主；在表達上做到層次清晰，脈絡分明，應用實例選擇合理，知識點講解到位，通俗易懂，突出實用的特點。通過學習，學生能夠掌握該課程的主體知識和控制仿真的基本應用以及實驗操作技能，為今后在相關領域的應用打下良好的基礎。

本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，是在2003年8月第一版的《計算機控制與仿真技術》基礎上精心修訂而成，對相關內容進行了修改和擴充，刪去了一些較淺顯和累贅的內容，補充了新知識和應用實例。在保留了原書的控制與仿真技術一般知識、控制系統的數學模型、控制系統性能分析與仿真算法等部分內容的基礎上，主要針對當前流行的MATLAB 7和Simulink 6.0仿真軟件，詳細介紹了MATLAB 7的使用基礎、系統建模和系統分析方法，論述了Simulink 6.0交互式仿真平臺的使用和系統仿真的應用，分別給出了智能控制系統的設計與仿真、控制系統的計算機仿真等應用實例。

本教材的主要特色體現在：引入不同學科的新知識和新技術，以綜合應用為出發點，與工程實際密切結合，將自動控制、計算機應用、仿真技術等交叉學科的知識和新技術融為一體，以必需、夠用為度，建立一個基本知識和技術平臺，為工程實際應用服務；按照應用型專業和高職高專學生的認知特點組織教學，教學內容的深度與廣度合適、定位準確，按照課程教學的基本要求，突出課程內容的實用性，各部分知識銜接合理，由淺入深，循序漸進，內容少而精，通俗易懂，適合學生的學習；采用案例驅動的編寫方式，激發學生的學習興趣，引導學生展開學習，做到從簡到繁、從易到難、從個性到共性、從局部到整體，圍繞教學目標逐步遞進。教材中給出各章學習指導，每章后面有小結以及與教學內容緊密結合的思考題與習題，以供強化訓練。此外，免費提供該課程的電子教案，為教師和學生提供有力的教學支撐。

全書共10章，第1章介紹控制與仿真的相關概念和基礎知識；第2章介紹控制系統的微分方程、傳遞函數、動態結構圖、狀態空間描述等數學模型以及采用時域分析法、頻率分析法等對系統性能進行討論；第3章介紹系統仿真的原理及算法，包括數值積分法、離散相似法、線性系統和采樣系統仿真的處理過程等內容；第4章介紹MATLAB 7使用基礎，包括MATLAB 7簡介、編程環境、數值運算基礎、繪圖、程序設計基礎等內容；第5章介紹控制系統的MATLAB 7建模，包括MATLAB 7工具箱函數、工具箱建模以及系統建模實例；第6章介紹控制系統的MATLAB 7仿真，包括時域分析的MATLAB 7實現、頻域分析的MATLAB 7實現、控制系統穩定性分析、利用MATLAB語言進行數值積分法和離散相似法對不同系統的仿真原理及編程應用等知識；第7章介紹Simulink 6.0使用基礎，包括Simulink 6.0簡介、Simulink 6.0模塊庫簡介、Simulink 6.0基本建模方法、自定義模塊庫和子系統、S-函數的編寫與應用等；第8章介紹Simulink 6.0仿真參數設置以及控制系統的Simulink仿真；第9章介紹智能控制系統的設計與仿真，包括智能控制系統設計概述、模糊控制系統設計與仿真、神經網絡控制系統設計與仿真等內容；第10章介紹控制系統的計算機仿真應用實例分析，包括汽車運動系統的設計與仿真、直流電機調速系統的設計與仿真等。

本書由楊立任主編，齊建玲、馬光、葉昊任副主編。各章內容編寫分工如下：楊立負責編寫第1、2、3章；齊建玲負責編寫第5、6章；馬光負責編寫第8、9、10章；葉昊負責編寫第4、7章；曲風娟、朱蓬華、鄒澎濤、李杰、王振奪、趙輝、金永濤、王靜、魯振華等參加了本書大綱的討論和部分內容的編寫。全書由楊立負責組織與統稿。

由于水平有限，書中難免出現一些錯誤和不妥之處，敬請讀者批評指正。

編者

2007年5月

序
第二版前言
第一版前言
第1章 控制與仿真的一般知識 1
本章學習指導 1
1.1 自動控制的基本知識 1
1.1.1 系統的含義與特性 1
1.1.2 自動控制的概念及應用 3
1.1.3 對控制系統的性能要求 4
1.2 控制系統的組成及分類 5
1.2.1 控制系統的組成 5
1.2.2 控制系統的分類 6
1.3 開環控制與閉環控制的基本原理 7
1.3.1 按給定值操縱的開環控制 8
1.3.2 按干擾值補償的開環控制 9
1.3.3 按偏差調節的閉環控制 9
1.3.4 開環控制與閉環控制系統的比較 10
1.4 系統仿真的基本知識 11
1.4.1 系統仿真概述 11
1.4.2 系統仿真的步驟和過程 13
1.4.3 系統仿真的分類 14
1.5 計算機仿真的特點及其應用 15
1.5.1 計算機仿真的特點 15
1.5.2 計算機仿真技術的應用 16
本章小結 16
思考題與習題 17
第2章 控制系統的數學模型及性能分析 19
本章學習指導 19
2.1 數學模型概述 19
2.1.1 數學模型的含義 19
2.1.2 數學模型的建立方法 19
2.2 微分方程 20
2.2.1 微分方程的建立 20
2.2.2 微分方程的求解 22
2.3 傳遞函數 24
2.3.1 傳遞函數的基本知識 24
2.3.2 典型環節及其傳遞函數 26
2.3.3 自動控制系統的傳遞函數 29
2.4 動態結構圖及其等效變換 30
2.4.1 結構圖的組成及繪制 30
2.4.2 結構圖的等效變換 32
2.5 狀態空間描述 34
2.5.1 狀態變量 34
2.5.2 狀態方程 35
2.6 數學模型的相互轉換 36
2.6.1 數學模型轉換的意義 36
2.6.2 數學模型轉換的應用實例 36
2.7 控制系統的時域分析法 37
2.7.1 典型輸入信號及其響應 37
2.7.2 一階系統的時域響應 39
2.7.3 二階系統的時域響應 42
2.7.4 控制系統的穩定性分析 46
2.7.5 控制系統的穩態誤差分析 49
2.8 控制系統的頻率分析法 52
2.8.1 頻率特性的概念 52
2.8.2 典型環節的頻率特性 53
2.8.3 系統開環頻率特性的繪制 57
2.8.4 系統性能的分析 58
本章小結 61
思考題與習題 61
第3章 控制系統仿真原理及算法 64
本章學習指導 64
3.1 數值積分法 64
3.1.1 概述 64
3.1.2 歐拉（Euler）法 65
3.1.3 梯形法 66
3.1.4 龍格—庫塔（Runge-Kutta）法 67
3.1.5 數值積分公式的應用 69
3.1.6 仿真步長的選擇與系統的穩定性 70
3.2 線性系統仿真原理 71
3.2.1 面向傳遞函數的線性系統仿真 71
3.2.2 面向結構圖的線性系統仿真 73
3.3 離散相似法 77
3.3.1 離散相似法原理 78
3.3.2 典型環節狀態方程的離散化 78
3.3.3 仿真程序的實現框圖 80
3.4 采樣系統仿真原理 81
3.4.1 采樣控制系統的算法描述 81
3.4.2 采樣周期與仿真步長的關系 82
3.4.3 采樣系統的仿真應用 84
本章小結 86
思考題與習題 87
第4章 MATLAB 7使用基礎 88
本章學習指導 88
4.1 MATLAB 7簡介 88
4.1.1 MATLAB的產生與發展 88
4.1.2 MATLAB的特點 89
4.1.3 MATLAB 7的改進及特色 90
4.2 MATLAB 7的開發環境 91
4.2.1 MATLAB 7桌面平臺 91
4.2.2 MATLAB 7程序編輯器 94
4.2.3 MATLAB 7幫助系統 94
4.3 MATLAB 7的基本應用 97
4.3.1 MATLAB 7數值運算基礎 97
4.3.2 MATLAB 7繪圖 103
4.3.3 MATLAB 7程序設計基礎 108
本章小結 113
思考題與習題 113
第5章 控制系統的MATLAB 7建模 115
本章學習指導 115
5.1 控制系統的模型表示 115
5.1.1 傳遞函數模型 115
5.1.2 零極點增益模型 117
5.1.3 狀態空間模型 117
5.1.4 不同模型間的相互轉換 119
5.2 環節方框圖模型的化簡 121
5.2.1 環節串聯連接的化簡 121
5.2.2 環節并聯連接的化簡 123
5.2.3 環節反饋連接的化簡 124
5.2.4 閉環控制系統的化簡 126
5.3 控制系統的建模實例 126
5.3.1 二級阻容網絡的模型建立 126
5.3.2 雙蓄水槽系統的模型建立 127
本章小結 129
思考題與習題 129
第6章 控制系統的MATLAB 7仿真 131
本章學習指導 131
6.1 控制系統時域分析的MATLAB實現 131
6.1.1 概述 131
6.1.2 連續系統的單位階躍響應 131
6.1.3 連續系統的單位沖激響應 133
6.1.4 連續系統的零輸入響應 135
6.2 控制系統頻域分析的MATLAB實現 137
6.2.1 概述 137
6.2.2 連續系統的Bode圖繪制 137
6.2.3 繪制系統Nyquist曲線的函數 138
6.2.4 求連續系統Nichols曲線的函數 138
6.2.5 求系統幅值裕度與相位裕度 139
6.2.6 求系統零極點和根軌跡的函數 141
6.3 利用MATLAB語言進行編程仿真 143
6.3.1 面向傳遞函數的線性系統仿真 143
6.3.2 面向結構圖的線性系統仿真 145
6.3.3 線性系統的離散相似法仿真 147
6.3.4 非線性系統離散相似法仿真 149
6.3.5 采樣控制系統仿真 157
本章小結 162
思考題與習題 163
第7章 Simulink 6.0使用基礎 165
本章學習目標 165
7.1 Simulink 6.0仿真工具簡介 165
7.1.1 Simulink 6.0仿真工具概述 165
7.1.2 Simulink 6.0的改進及其新特點 166
7.1.3 Simulink 6.0的啟動與界面說明 166
7.2 Simulink 6.0模塊庫簡介 167
7.2.1 連續系統模塊庫 167
7.2.2 離散系統模塊庫 168
7.2.3 非連續系統模塊庫 168
7.2.4 數學運算模塊庫 169
7.2.5 輸入源模塊庫 169
7.2.6 輸出模塊庫 170
7.2.7 常用模塊庫 170
7.3 Simulink 6.0的基本建模方法 171
7.3.1 模型窗口 171
7.3.2 模塊的處理 172
7.3.3 模塊的連接 173
7.3.4 系統模型圖的創建 174
7.3.5 模型文件的保存與打開 176
7.4 自定義模塊庫和子系統 176
7.4.1 自定義模塊庫 177
7.4.2 自定義子系統 177
7.4.3 子系統的封裝 180
7.5 S-函數的設計 183
7.5.1 S-函數模塊 183
7.5.2 S-函數引導語句 183
7.5.3 參數初始化設定 184
7.5.4 S-函數設計舉例 184
本章小結 186
思考題與習題 187
第8章 控制系統的Simulink仿真 188
本章學習指導 188
8.1 Simulink仿真參數的設置 188
8.1.1 系統模型的實時操作與仿真參數設置 188
8.1.2 解算器（Solver）的參數設置 189
8.1.3 Data Import/Export的參數設置 190
8.2 控制系統的Simulink仿真應用 192
8.2.1 利用Simulink的系統模型仿真 192
8.2.2 利用Simulink的動態結構圖仿真 197
本章小結 202
思考題與習題 203
第9章 智能控制系統的設計與仿真 205
本章學習指導 205
9.1 智能控制系統概述 205
9.2 模糊控制系統的設計與仿真 205
9.2.1 模糊控制系統概述 205
9.2.2 模糊邏輯工具箱及其應用 207
9.2.3 模糊控制系統的設計實例 213
9.3 神經網絡控制系統的設計與仿真 218
9.3.1 神經網絡概述 218
9.3.2 BP神經網絡 219
9.3.3 神經網絡工具箱及其應用 222
9.3.4 神經網絡系統的設計實例 227
本章小結 231
思考題與習題 232
第10章 控制系統的計算機仿真實例 234
本章學習指導 234
10.1 汽車運動控制系統的設計與仿真 234
10.1.1 問題的提出 234
10.1.2 系統模型表示 235
10.1.3 仿真設計 235
10.2 直流電機調速系統的設計與仿真 240
10.2.1 問題的描述 240
10.2.2 系統模型表示 241
10.2.3 仿真設計 242
本章小結 246
參考文獻 247

1. 計算機控制與仿真技術 [楊立 主編]