隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及微處理器和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，使得“掌握和運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的水平及能力”成為衡量一個(gè)專業(yè)技術(shù)人員素質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，而計(jì)算機(jī)仿真又是分析、研究、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的強(qiáng)有力工具，是從事自動化、控制系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等技術(shù)人員必須掌握的一門新型技術(shù)。在高新技術(shù)領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

本教材編寫的目的是為了適應(yīng)當(dāng)前科技的發(fā)展和實(shí)際工程應(yīng)用的需要，為高等學(xué)校應(yīng)用型本科教育的工科機(jī)電類控制專業(yè)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生提供幫助，使他們能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制與仿真的基本知識、基本理論及其應(yīng)用技術(shù)，理解控制原理和系統(tǒng)的分析方法，掌握計(jì)算機(jī)仿真的原理及仿真算法，熟練運(yùn)用MATLAB和SIMULINK對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真編程及調(diào)試、運(yùn)行，培養(yǎng)扎實(shí)的操作技能，為今后在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

在本課程的講授過程中，強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用技術(shù)為主線，通過控制與仿真的應(yīng)用實(shí)例分析，強(qiáng)化實(shí)踐能力的鍛煉，使學(xué)生既掌握計(jì)算機(jī)控制與仿真應(yīng)用的基本原理，又對新興技術(shù)有所跟蹤。應(yīng)用技術(shù)教育需要一定的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，更注重面向生產(chǎn)一線的應(yīng)用型人才的專業(yè)技能和實(shí)用技術(shù)的培養(yǎng)。基于這種指導(dǎo)思想，本書在編寫過程中力爭做到：相關(guān)概念、理論及應(yīng)用均以基本要求為主，突出實(shí)用的特點(diǎn)；在表達(dá)上做到層次清晰，脈絡(luò)分明，易于理解；在內(nèi)容的編排上由淺入深，循序漸進(jìn)，突出重點(diǎn)，通俗易懂。

全書共計(jì)10章。第1章介紹自動控制與系統(tǒng)仿真的相關(guān)概念和基礎(chǔ)知識；第2章介紹控制系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間描述等數(shù)學(xué)模型及其相互轉(zhuǎn)換；第3章介紹控制原理和系統(tǒng)性能的時(shí)域分析法和頻率分析法；第4章介紹計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，以常見的程序設(shè)計(jì)、數(shù)字PID調(diào)節(jié)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)等內(nèi)容為主；第5章介紹采用數(shù)值積分法和離散相似法對不同系統(tǒng)的仿真原理及應(yīng)用；第6章介紹MATLAB程序設(shè)計(jì)語言；第7章介紹控制系統(tǒng)的MATLAB應(yīng)用；第8章介紹SIMULINK交互式仿真環(huán)境；第9章介紹控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真；第10章介紹控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用實(shí)例分析。每章后面給出了本章小結(jié)和思考題與習(xí)題。

本書由楊立任主編，齊建玲、曲鳳娟、朱蓬華任副主編。各章內(nèi)容編寫分工如下：楊立負(fù)責(zé)編寫第1～3章和第5章；曲鳳娟負(fù)責(zé)編寫第4章；朱蓬華負(fù)責(zé)編寫第6章；齊建玲負(fù)責(zé)編寫第7～10章。趙丑民、鄒澎濤、李杰、王振奪、韓煜、趙輝、李京輝、金永濤、王靜、魯振華、陳征峰等也參加了本書大綱的討論和部分內(nèi)容的編寫。全書由楊立負(fù)責(zé)統(tǒng)稿。

由于水平有限，書中難免出現(xiàn)一些錯(cuò)誤和不妥之處，敬請讀者批評指正。

編 者

2006年6月

序
前言
第1章 控制與仿真的基礎(chǔ)知識 1
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 1
1.1 自動控制的基本概念及其應(yīng)用 1
1.1.1 控制理論的發(fā)展 1
1.1.2 自動控制的概念及其應(yīng)用 2
1.1.3 自動控制的任務(wù) 4
1.1.4 自動控制的基本方式 5
1.1.5 對控制系統(tǒng)的性能要求 10
1.2 控制系統(tǒng)的組成及分類 11
1.2.1 控制系統(tǒng)的組成 11
1.2.2 控制系統(tǒng)的分類 12
1.3 計(jì)算機(jī)仿真概述 13
1.3.1 仿真的概念和仿真過程 14
1.3.2 系統(tǒng)仿真的分類 16
1.4 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)及其應(yīng)用 18
1.4.1 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn) 18
1.4.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用 19
本章小結(jié) 19
思考題與習(xí)題 20
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 22
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 22
2.1 數(shù)學(xué)模型概述 22
2.1.1 數(shù)學(xué)模型的含義 22
2.1.2 數(shù)學(xué)模型的分類 22
2.1.3 數(shù)學(xué)模型的建立方法 23
2.2 微分方程 23
2.2.1 微分方程的建立 23
2.2.2 拉普拉斯（Laplace）變換 26
2.2.3 微分方程的求解 29
2.2.4 非線性數(shù)學(xué)模型的線性化處理 30
2.3 傳遞函數(shù) 32
2.3.1 傳遞函數(shù)的概念 32
2.3.2 典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù) 34
2.3.3 自動控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 37
2.4 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其等效變換 38
2.4.1 結(jié)構(gòu)圖的組成及繪制 38
2.4.2 結(jié)構(gòu)圖的等效變換 40
2.5 狀態(tài)空間描述 42
2.5.1 狀態(tài)變量 42
2.5.2 狀態(tài)方程 44
2.6 數(shù)學(xué)模型的相互轉(zhuǎn)換 44
本章小結(jié) 46
思考題與習(xí)題 46
第3章 控制原理和分析方法 48
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 48
3.1 典型輸入信號及其響應(yīng) 48
3.1.1 概述 48
3.1.2 典型輸入信號 48
3.1.3 典型信號的響應(yīng) 51
3.2 時(shí)域分析法 53
3.2.1 一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 53
3.2.2 二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 57
3.2.3 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 60
3.2.4 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析 66
3.3 頻率分析法 70
3.3.1 頻率特性的概念 71
3.3.2 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 72
3.3.3 系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的繪制 76
3.3.4 系統(tǒng)性能的分析和計(jì)算 77
本章小結(jié) 81
思考題與習(xí)題 81
第4章 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用 84
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 84
4.1 微機(jī)控制系統(tǒng)概述 84
4.1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 84
4.1.2 微機(jī)控制系統(tǒng)的分類 85
4.1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 86
4.2 常用控制程序的設(shè)計(jì) 87
4.2.1 常用報(bào)警程序 87
4.2.2 數(shù)字濾波程序 91
4.3 PID控制及其應(yīng)用 96
4.3.1 數(shù)字PID控制算法 96
4.3.2 數(shù)字PID控制算法的改進(jìn) 98
4.3.3 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 102
4.4 直接數(shù)字控制系統(tǒng) 106
4.4.1 最少拍系統(tǒng)設(shè)計(jì) 106
4.4.2 達(dá)林算法 110
本章小結(jié) 113
思考題與習(xí)題 114
第5章 系統(tǒng)仿真算法分析 115
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 115
5.1 數(shù)值積分法 115
5.1.1 歐拉（Euler）法 116
5.1.2 梯形法 117
5.1.3 龍格—庫塔（Runge—Kutta）法 118
5.1.4 數(shù)值積分公式的應(yīng)用 120
5.1.5 仿真精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性 122
5.2 快速仿真算法 124
5.2.1 時(shí)域矩陣法 124
5.2.2 增廣矩陣法 126
5.2.3 替換法 129
5.2.4 根匹配法 130
5.3 離散相似法 133
5.3.1 仿真算法描述 133
5.3.2 典型環(huán)節(jié)的離散模型 135
5.4 線性系統(tǒng)仿真 136
5.4.1 線性系統(tǒng)的數(shù)值積分法仿真 136
5.4.2 線性系統(tǒng)的離散相似法仿真 140
5.5 非線性系統(tǒng)仿真 141
5.5.1 典型非線性特性 142
5.5.2 非線性系統(tǒng)的仿真過程及應(yīng)用 144
5.6 采樣系統(tǒng)仿真 146
5.6.1 采樣控制系統(tǒng)的算法描述 146
5.6.2 采樣周期與仿真步距的關(guān)系 148
5.6.3 采樣系統(tǒng)的仿真應(yīng)用 149
本章小結(jié) 152
思考題與習(xí)題 152
第6章 MATLAB程序設(shè)計(jì)語言 155
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 155
6.1 MATLAB基礎(chǔ) 155
6.1.1 MATLAB的產(chǎn)生與發(fā)展 155
6.1.2 MATLAB的主要功能 156
6.1.3 MATLAB的特點(diǎn) 156
6.1.4 MATLAB 6.x版本的改進(jìn) 157
6.2 MATLAB操作平臺 158
6.2.1 MATLAB的安裝 158
6.2.2 MATLAB桌面平臺 159
6.2.3 MATLAB的程序編輯器 162
6.2.4 MATLAB中的M文件與M函數(shù) 162
6.2.5 MATLAB幫助系統(tǒng) 164
6.3 MATLAB的基本應(yīng)用 166
6.3.1 MATLAB數(shù)值運(yùn)算基礎(chǔ) 166
6.3.2 MATLAB繪圖 172
6.3.3 MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 176
本章小結(jié) 179
思考題與習(xí)題 180
第7章 控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 181
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 181
7.1 控制系統(tǒng)的模型表示 181
7.1.1 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型表示 181
7.1.2 零極點(diǎn)增益模型 182
7.1.3 狀態(tài)空間模型 183
7.1.4 系統(tǒng)不同模型間的相互轉(zhuǎn)換 184
7.2 環(huán)節(jié)方框圖模型的化簡 186
7.2.1 環(huán)節(jié)串聯(lián)連接的化簡 186
7.2.2 環(huán)節(jié)并聯(lián)連接的化簡 188
7.2.3 環(huán)節(jié)反饋連接的化簡 189
7.3 控制系統(tǒng)時(shí)域分析的MATLAB實(shí)現(xiàn) 191
7.3.1 概述 191
7.3.2 連續(xù)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 191
7.3.3 連續(xù)系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 193
7.3.4 連續(xù)系統(tǒng)的零輸入響應(yīng) 195
7.4 控制系統(tǒng)頻域分析的MATLAB實(shí)現(xiàn) 195
7.4.1 概述 195
7.4.2 求連續(xù)系統(tǒng)的伯德圖 196
7.4.3 繪制系統(tǒng)奈奎斯特曲線圖的函數(shù) 196
7.4.4 求連續(xù)系統(tǒng)Nichols曲線的函數(shù) 197
7.4.5 求系統(tǒng)幅值裕度與相位裕度 197
7.5 利用MATLAB語言進(jìn)行編程仿真的應(yīng)用 199
7.5.1 面向傳遞函數(shù)的線性系統(tǒng)仿真 199
7.5.2 面向結(jié)構(gòu)圖的線性系統(tǒng)仿真 203
7.5.3 線性系統(tǒng)的離散相似法仿真 206
7.5.4 非線性系統(tǒng)離散相似法仿真 208
7.5.5 采樣控制系統(tǒng)仿真 213
本章小結(jié) 219
思考題與習(xí)題 220
第8章 SIMULINK交互式仿真環(huán)境 222
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 222
8.1 SIMULINK簡介 222
8.1.1 SIMULINK概述 222
8.1.2 SIMULINK的啟動與界面 223
8.2 SIMULINK基本操作 227
8.2.1 模型窗口 227
8.2.2 模塊的操作處理 228
8.2.3 模塊的連接 229
8.2.4 系統(tǒng)模型圖的創(chuàng)建 230
8.2.5 自定義模塊庫和子系統(tǒng) 232
8.2.6 模型文件的保存與打開 236
本章小結(jié) 236
思考題與習(xí)題 237
第9章 控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真 239
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 239
9.1 SIMULINK仿真的參數(shù)設(shè)置 239
9.1.1 系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)操作與仿真參數(shù)設(shè)置 239
9.1.2 Solver解算器選項(xiàng)卡的參數(shù)設(shè)置 240
9.1.3 Workspace I/O工作空間選項(xiàng)卡參數(shù)設(shè)置 241
9.2 控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真 242
9.2.1 利用SIMULINK系統(tǒng)仿真模型的仿真處理 242
9.2.2 利用SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真處理 249
本章小結(jié) 254
思考題與習(xí)題 254
第10章 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用實(shí)例 256
本章學(xué)習(xí)目標(biāo) 256
10.1 問題的描述 256
10.2 系統(tǒng)的模型表示 257
10.3 系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 257
10.3.1 利用MATLAB進(jìn)行仿真設(shè)計(jì) 257
10.3.2 利用Simulink進(jìn)行仿真設(shè)計(jì) 261
本章小結(jié) 263
參考文獻(xiàn) 264

1. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝與調(diào)試 [主編 田浩鵬]
2. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) [劉福榮 主 編 ]
3. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) [主 編 劉福榮]
4. 自動控制原理實(shí)踐教程 [彭學(xué)鋒 等編著]
5. 計(jì)算機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)技術(shù) [龍志強(qiáng) 等編著]
6. 計(jì)算機(jī)控制與仿真技術(shù)（第二版） [楊立 主編]