计算机控制与仿真技术（第二版）

紧密结合相关学科和技术的发展特点，以介绍基础知识和培养应用能力为目标，注重应用型人才专业技能和实用技术的培养，使学生能够系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理论及其应用技术，掌握计算机仿真的原理及仿真算法，熟练运用MATLAB和Simulink对控制系统进行仿真编程及调试、运行，培养扎实的实践操作技能。

强调以应用技术为主线，通过实例分析强化实践能力的锻炼，使学生既掌握计算机控制与仿真应用的基本原理，又对新兴技术有所跟踪。

编排上由浅入深，循序渐进，重点突出，相关概念、理论及应用均以基本要求为主；在表达上做到层次清晰，脉络分明，应用实例选择合理，知识点讲解到位，通俗易懂，突出实用的特点。

第二版前言

“计算机控制与仿真技术”是计算机类、机电类、控制类各专业的重要专业技术课程，是从事自动化、控制系统工程、计算机应用技术人员必须掌握的一门新型技术，在高新技术领域中控制系统的计算机仿真技术有着广泛的应用前景。

编写本教材的目的是为了适应当前科技的发展和实际工程技术应用的需要，紧密结合相关学科和技术的发展特点，以介绍基础知识和培养应用能力为目标，注重应用型人才专业技能和实用技术的培养，为高等学校相关专业的学生提供帮助，使他们能够系统地学习计算机控制与仿真的基本知识、基本理论及其应用技术，掌握计算机仿真的原理及仿真算法，熟练运用MATLAB和Simulink对控制系统进行仿真编程及调试、运行，培养扎实的实践操作技能。在本课程的讲授过程中，强调以应用技术为主线，通过实例分析强化实践能力的锻炼，使学生既掌握计算机控制与仿真应用的基本原理，又对新兴技术有所跟踪。教材内容在编排上由浅入深，循序渐进，重点突出，相关概念、理论及应用均以基本要求为主；在表达上做到层次清晰，脉络分明，应用实例选择合理，知识点讲解到位，通俗易懂，突出实用的特点。通过学习，学生能够掌握该课程的主体知识和控制仿真的基本应用以及实验操作技能，为今后在相关领域的应用打下良好的基础。

本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，是在2003年8月第一版的《计算机控制与仿真技术》基础上精心修订而成，对相关内容进行了修改和扩充，删去了一些较浅显和累赘的内容，补充了新知识和应用实例。在保留了原书的控制与仿真技术一般知识、控制系统的数学模型、控制系统性能分析与仿真算法等部分内容的基础上，主要针对当前流行的MATLAB 7和Simulink 6.0仿真软件，详细介绍了MATLAB 7的使用基础、系统建模和系统分析方法，论述了Simulink 6.0交互式仿真平台的使用和系统仿真的应用，分别给出了智能控制系统的设计与仿真、控制系统的计算机仿真等应用实例。

本教材的主要特色体现在：引入不同学科的新知识和新技术，以综合应用为出发点，与工程实际密切结合，将自动控制、计算机应用、仿真技术等交叉学科的知识和新技术融为一体，以必需、够用为度，建立一个基本知识和技术平台，为工程实际应用服务；按照应用型专业和高职高专学生的认知特点组织教学，教学内容的深度与广度合适、定位准确，按照课程教学的基本要求，突出课程内容的实用性，各部分知识衔接合理，由浅入深，循序渐进，内容少而精，通俗易懂，适合学生的学习；采用案例驱动的编写方式，激发学生的学习兴趣，引导学生展开学习，做到从简到繁、从易到难、从个性到共性、从局部到整体，围绕教学目标逐步递进。教材中给出各章学习指导，每章后面有小结以及与教学内容紧密结合的思考题与习题，以供强化训练。此外，免费提供该课程的电子教案，为教师和学生提供有力的教学支撑。

全书共10章，第1章介绍控制与仿真的相关概念和基础知识；第2章介绍控制系统的微分方程、传递函数、动态结构图、状态空间描述等数学模型以及采用时域分析法、频率分析法等对系统性能进行讨论；第3章介绍系统仿真的原理及算法，包括数值积分法、离散相似法、线性系统和采样系统仿真的处理过程等内容；第4章介绍MATLAB 7使用基础，包括MATLAB 7简介、编程环境、数值运算基础、绘图、程序设计基础等内容；第5章介绍控制系统的MATLAB 7建模，包括MATLAB 7工具箱函数、工具箱建模以及系统建模实例；第6章介绍控制系统的MATLAB 7仿真，包括时域分析的MATLAB 7实现、频域分析的MATLAB 7实现、控制系统稳定性分析、利用MATLAB语言进行数值积分法和离散相似法对不同系统的仿真原理及编程应用等知识；第7章介绍Simulink 6.0使用基础，包括Simulink 6.0简介、Simulink 6.0模块库简介、Simulink 6.0基本建模方法、自定义模块库和子系统、S-函数的编写与应用等；第8章介绍Simulink 6.0仿真参数设置以及控制系统的Simulink仿真；第9章介绍智能控制系统的设计与仿真，包括智能控制系统设计概述、模糊控制系统设计与仿真、神经网络控制系统设计与仿真等内容；第10章介绍控制系统的计算机仿真应用实例分析，包括汽车运动系统的设计与仿真、直流电机调速系统的设计与仿真等。

本书由杨立任主编，齐建玲、马光、叶昊任副主编。各章内容编写分工如下：杨立负责编写第1、2、3章；齐建玲负责编写第5、6章；马光负责编写第8、9、10章；叶昊负责编写第4、7章；曲风娟、朱蓬华、邹澎涛、李杰、王振夺、赵辉、金永涛、王静、鲁振华等参加了本书大纲的讨论和部分内容的编写。全书由杨立负责组织与统稿。

由于水平有限，书中难免出现一些错误和不妥之处，敬请读者批评指正。

编者

2007年5月

序
第二版前言
第一版前言
第1章 控制与仿真的一般知识 1
本章学习指导 1
1.1 自动控制的基本知识 1
1.1.1 系统的含义与特性 1
1.1.2 自动控制的概念及应用 3
1.1.3 对控制系统的性能要求 4
1.2 控制系统的组成及分类 5
1.2.1 控制系统的组成 5
1.2.2 控制系统的分类 6
1.3 开环控制与闭环控制的基本原理 7
1.3.1 按给定值操纵的开环控制 8
1.3.2 按干扰值补偿的开环控制 9
1.3.3 按偏差调节的闭环控制 9
1.3.4 开环控制与闭环控制系统的比较 10
1.4 系统仿真的基本知识 11
1.4.1 系统仿真概述 11
1.4.2 系统仿真的步骤和过程 13
1.4.3 系统仿真的分类 14
1.5 计算机仿真的特点及其应用 15
1.5.1 计算机仿真的特点 15
1.5.2 计算机仿真技术的应用 16
本章小结 16
思考题与习题 17
第2章 控制系统的数学模型及性能分析 19
本章学习指导 19
2.1 数学模型概述 19
2.1.1 数学模型的含义 19
2.1.2 数学模型的建立方法 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 传递函数 24
2.3.1 传递函数的基本知识 24
2.3.2 典型环节及其传递函数 26
2.3.3 自动控制系统的传递函数 29
2.4 动态结构图及其等效变换 30
2.4.1 结构图的组成及绘制 30
2.4.2 结构图的等效变换 32
2.5 状态空间描述 34
2.5.1 状态变量 34
2.5.2 状态方程 35
2.6 数学模型的相互转换 36
2.6.1 数学模型转换的意义 36
2.6.2 数学模型转换的应用实例 36
2.7 控制系统的时域分析法 37
2.7.1 典型输入信号及其响应 37
2.7.2 一阶系统的时域响应 39
2.7.3 二阶系统的时域响应 42
2.7.4 控制系统的稳定性分析 46
2.7.5 控制系统的稳态误差分析 49
2.8 控制系统的频率分析法 52
2.8.1 频率特性的概念 52
2.8.2 典型环节的频率特性 53
2.8.3 系统开环频率特性的绘制 57
2.8.4 系统性能的分析 58
本章小结 61
思考题与习题 61
第3章 控制系统仿真原理及算法 64
本章学习指导 64
3.1 数值积分法 64
3.1.1 概述 64
3.1.2 欧拉（Euler）法 65
3.1.3 梯形法 66
3.1.4 龙格—库塔（Runge-Kutta）法 67
3.1.5 数值积分公式的应用 69
3.1.6 仿真步长的选择与系统的稳定性 70
3.2 线性系统仿真原理 71
3.2.1 面向传递函数的线性系统仿真 71
3.2.2 面向结构图的线性系统仿真 73
3.3 离散相似法 77
3.3.1 离散相似法原理 78
3.3.2 典型环节状态方程的离散化 78
3.3.3 仿真程序的实现框图 80
3.4 采样系统仿真原理 81
3.4.1 采样控制系统的算法描述 81
3.4.2 采样周期与仿真步长的关系 82
3.4.3 采样系统的仿真应用 84
本章小结 86
思考题与习题 87
第4章 MATLAB 7使用基础 88
本章学习指导 88
4.1 MATLAB 7简介 88
4.1.1 MATLAB的产生与发展 88
4.1.2 MATLAB的特点 89
4.1.3 MATLAB 7的改进及特色 90
4.2 MATLAB 7的开发环境 91
4.2.1 MATLAB 7桌面平台 91
4.2.2 MATLAB 7程序编辑器 94
4.2.3 MATLAB 7帮助系统 94
4.3 MATLAB 7的基本应用 97
4.3.1 MATLAB 7数值运算基础 97
4.3.2 MATLAB 7绘图 103
4.3.3 MATLAB 7程序设计基础 108
本章小结 113
思考题与习题 113
第5章 控制系统的MATLAB 7建模 115
本章学习指导 115
5.1 控制系统的模型表示 115
5.1.1 传递函数模型 115
5.1.2 零极点增益模型 117
5.1.3 状态空间模型 117
5.1.4 不同模型间的相互转换 119
5.2 环节方框图模型的化简 121
5.2.1 环节串联连接的化简 121
5.2.2 环节并联连接的化简 123
5.2.3 环节反馈连接的化简 124
5.2.4 闭环控制系统的化简 126
5.3 控制系统的建模实例 126
5.3.1 二级阻容网络的模型建立 126
5.3.2 双蓄水槽系统的模型建立 127
本章小结 129
思考题与习题 129
第6章 控制系统的MATLAB 7仿真 131
本章学习指导 131
6.1 控制系统时域分析的MATLAB实现 131
6.1.1 概述 131
6.1.2 连续系统的单位阶跃响应 131
6.1.3 连续系统的单位冲激响应 133
6.1.4 连续系统的零输入响应 135
6.2 控制系统频域分析的MATLAB实现 137
6.2.1 概述 137
6.2.2 连续系统的Bode图绘制 137
6.2.3 绘制系统Nyquist曲线的函数 138
6.2.4 求连续系统Nichols曲线的函数 138
6.2.5 求系统幅值裕度与相位裕度 139
6.2.6 求系统零极点和根轨迹的函数 141
6.3 利用MATLAB语言进行编程仿真 143
6.3.1 面向传递函数的线性系统仿真 143
6.3.2 面向结构图的线性系统仿真 145
6.3.3 线性系统的离散相似法仿真 147
6.3.4 非线性系统离散相似法仿真 149
6.3.5 采样控制系统仿真 157
本章小结 162
思考题与习题 163
第7章 Simulink 6.0使用基础 165
本章学习目标 165
7.1 Simulink 6.0仿真工具简介 165
7.1.1 Simulink 6.0仿真工具概述 165
7.1.2 Simulink 6.0的改进及其新特点 166
7.1.3 Simulink 6.0的启动与界面说明 166
7.2 Simulink 6.0模块库简介 167
7.2.1 连续系统模块库 167
7.2.2 离散系统模块库 168
7.2.3 非连续系统模块库 168
7.2.4 数学运算模块库 169
7.2.5 输入源模块库 169
7.2.6 输出模块库 170
7.2.7 常用模块库 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 模块的处理 172
7.3.3 模块的连接 173
7.3.4 系统模型图的创建 174
7.3.5 模型文件的保存与打开 176
7.4 自定义模块库和子系统 176
7.4.1 自定义模块库 177
7.4.2 自定义子系统 177
7.4.3 子系统的封装 180
7.5 S-函数的设计 183
7.5.1 S-函数模块 183
7.5.2 S-函数引导语句 183
7.5.3 参数初始化设定 184
7.5.4 S-函数设计举例 184
本章小结 186
思考题与习题 187
第8章 控制系统的Simulink仿真 188
本章学习指导 188
8.1 Simulink仿真参数的设置 188
8.1.1 系统模型的实时操作与仿真参数设置 188
8.1.2 解算器（Solver）的参数设置 189
8.1.3 Data Import/Export的参数设置 190
8.2 控制系统的Simulink仿真应用 192
8.2.1 利用Simulink的系统模型仿真 192
8.2.2 利用Simulink的动态结构图仿真 197
本章小结 202
思考题与习题 203
第9章 智能控制系统的设计与仿真 205
本章学习指导 205
9.1 智能控制系统概述 205
9.2 模糊控制系统的设计与仿真 205
9.2.1 模糊控制系统概述 205
9.2.2 模糊逻辑工具箱及其应用 207
9.2.3 模糊控制系统的设计实例 213
9.3 神经网络控制系统的设计与仿真 218
9.3.1 神经网络概述 218
9.3.2 BP神经网络 219
9.3.3 神经网络工具箱及其应用 222
9.3.4 神经网络系统的设计实例 227
本章小结 231
思考题与习题 232
第10章 控制系统的计算机仿真实例 234
本章学习指导 234
10.1 汽车运动控制系统的设计与仿真 234
10.1.1 问题的提出 234
10.1.2 系统模型表示 235
10.1.3 仿真设计 235
10.2 直流电机调速系统的设计与仿真 240
10.2.1 问题的描述 240
10.2.2 系统模型表示 241
10.2.3 仿真设计 242
本章小结 246
参考文献 247

1. 计算机控制与仿真技术 [杨立 主编]