本書適用于本科、研究生的"系統(tǒng)建模與仿真”雙語課程。通過有趣的實(shí)例，串接了整個(gè)MATLAB平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)用，即基本運(yùn)算操作、矩陣操作等；以簡單系統(tǒng)的建模、復(fù)雜系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，講述系統(tǒng)的建模理論和方法；以實(shí)際控制的穩(wěn)定性實(shí)例仿真分析，講述系統(tǒng)的穩(wěn)定分析方法；以實(shí)際系統(tǒng)的根軌跡分析設(shè)計(jì)，講述了系統(tǒng)的根軌跡設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)PID實(shí)例部分，講述了系統(tǒng)PID設(shè)計(jì)方法。全書由淺至深，覆蓋到本課程的主要相關(guān)知識(shí)。
錢慧芳，女，西安工程大學(xué)副教授，碩士研究生學(xué)歷，畢業(yè)于西北紡織學(xué)院（現(xiàn)西安工程大學(xué)）。在西安工程大學(xué)從事本科生、研究生的"系統(tǒng)建模與仿真（本）”"系統(tǒng)建模與仿真（碩）”"自動(dòng)控制原理”"虛擬儀器技術(shù)”等課程的教學(xué)工作多年。所教授的"系統(tǒng)建模與仿真（本）”使用自編講義十多年。
第1章 MATLAB基礎(chǔ)知識(shí) 1
1.1 MATLAB入門 2
1.1.1 輸入矩陣 2
1.1.2 求和、轉(zhuǎn)置和對角線 3
1.1.3 下標(biāo) 4
1.1.4 冒號(hào)運(yùn)算符 4
1.1.5 魔方陣函數(shù) 5
1.2 表達(dá)式 5
1.2.1 變量 5
1.2.2 數(shù)字 5
1.2.3 運(yùn)算符 5
1.2.4 函數(shù) 6
1.3 矩陣操作 7
1.3.1 生成矩陣 7
1.3.2 M文件 7
1.3.3 連接 7
1.3.4 刪除行和列 8
1.4 命令窗口與常用函數(shù) 8
1.4.1 格式命令與長命令行 8
1.4.2 隱藏輸出 9
1.4.3 命令行編輯 9
1.4.4 常用基本函數(shù) 10
1.4.5 常用進(jìn)階函數(shù) 11
1.5 繪圖 13
1.5.1 創(chuàng)建一個(gè)圖 13
1.5.2 圖形窗口 14
1.5.3 添加圖形至現(xiàn)有的圖 15
1.5.4 繪制子圖 15
1.5.5 隱函數(shù)繪圖 16
1.5.6 軸的控制 16
1.5.7 軸標(biāo)記和標(biāo)題 17
1.5.8 plot3和mesh 18
1.5.9 圖像 19
本章小結(jié) 20
Chapter 1 Basics of MATLAB 21
1.1 Introduction to MATLAB 22
1.1.1 Entering Matrices 22
1.1.2 Sum, Transpose, and Diagonal 23
1.1.3 Subscripts 24
1.1.4 The Colon Operator 24
1.1.5 The Magic Function 25
1.2 Expressions 25
1.2.1 Variables 25
1.2.2 Numbers 26
1.2.3 Operators 26
1.2.4 Functions 26
1.3 Operation with Matrices 27
1.3.1 Generating Matrices 27
1.3.2 M-Files 27
1.3.3 Concatenation 28
1.3.4 Deleting Rows and Columns 28
1.4 The Command Window and Commonly Used Functions 29
1.4.1 The Format Command and Long Command Lines 29
1.4.2 Suppressing Output 30
1.4.3 Command Line Editing 30
1.4.4 Commonly Used Basic Functions 30
1.4.5 Commonly Used Advanced Functions 32
1.5 Graphics 34
1.5.1 Creating a Plot 34
1.5.2 Figure Windows 36
1.5.3 Adding Plots to an Existing Graph 36
1.5.4 Subplots 36
1.5.5 Ezplot 37
1.5.6 Axes Control 38
1.5.7 Axis Labels and Titles 38
1.5.8 plot3 and mesh 39
1.5.9 Images 40
Summary 41
生詞注解 41
第2章 MATLAB編程 43
2.1 流控制 44
2.1.1 if語句 44
2.1.2 for和while語句 44
2.1.3 break語句 45
2.1.4 switch和case 46
2.2 腳本 46
2.3 函數(shù) 47
2.4 編程實(shí)例 51
本章小結(jié) 55
Chapter 2 MATLAB Programming 56
2.1 Flow Control 57
2.1.1 if Statements 57
2.1.2 for and while Statement 57
2.1.3 break Statements 58
2.1.4 switch and case 59
2.2 Scripts 59
2.3 Functions 61
2.4 Examples 65
Summary 68
生詞注解 68
第3章 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型 69
3.1 線性定常系統(tǒng)簡介 70
3.2 線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 70
3.2.1 簡介 70
3.2.2 定義 70
3.2.3 相關(guān)說明 71
3.3 基于MATLAB的傳遞函數(shù)描述 72
3.3.1 傳遞函數(shù)的降冪排列標(biāo)準(zhǔn)形式 72
3.3.2 傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)模型 74
3.3.3 傳遞函數(shù)的部分分式展開 79
3.4 結(jié)構(gòu)圖的連接與化簡 80
3.4.1 相關(guān)函數(shù) 81
3.4.2 連接與化簡實(shí)例 81
3.5 建模與仿真實(shí)例 83
3.5.1 RLC電路的傳遞函數(shù)建模 84
3.5.2 RLC電路的仿真分析 84
3.5.3 機(jī)械位移系統(tǒng)的傳遞函數(shù)建模 85
3.5.4 機(jī)械位移系統(tǒng)的仿真分析 86
本章小結(jié) 87
Chapter 3 Transfer Function Model of Control System 88
3.1 Introduction to Linear Time-Invariant Systems 89
3.2 Transfer Function of Linear Time-Invariant Systems 89
3.2.1 Introduction 89
3.2.2 Definition 90
3.2.3 Related Instructions 90
3.3 Transfer Function Description in MATLAB 91
3.3.1 Standard Form in Descending Power of Transfer Functions 92
3.3.2 The Zero-Pole Model of Transfer Function 94
3.3.3 Partial-Fraction Expansion of Transfer Function 99
3.4 Connection and Simplification of Structure Diagram 101
3.4.1 Related Functions 101
3.4.2 Examples of Connection and Simplification 102
3.5 Modeling and Simulation Examples 104
3.5.1 Transfer Function Modeling of an RLC Circuit 104
3.5.2 Simulation Analysis of an RLC Circuit 105
3.5.3 Transfer Function Modeling of a Mechanical Displacement System 106
3.5.4 Simulation Analysis of a Mechanical Displacement System 107
Summary 108
生詞注解 108
第4章 狀態(tài)空間模型 109
4.1 狀態(tài)空間描述 110
4.1.1 現(xiàn)代控制理論 110
4.1.2 現(xiàn)代控制理論與傳統(tǒng)控制理論的比較 110
4.1.3 狀態(tài) 110
4.1.4 狀態(tài)變量 110
4.1.5 狀態(tài)向量 111
4.1.6 狀態(tài)空間 111
4.1.7 狀態(tài)空間方程 111
4.2 MATLAB中的狀態(tài)空間模型 112
4.2.1 狀態(tài)空間模型相關(guān)的MATLAB函數(shù) 112
4.2.2 運(yùn)用函數(shù)建立狀態(tài)空間模型 113
4.3 模型間的轉(zhuǎn)換 116
4.3.1 實(shí)現(xiàn)模型之間轉(zhuǎn)換的MATLAB函數(shù) 116
4.3.2 模型之間的轉(zhuǎn)換實(shí)例 116
4.3.3 狀態(tài)空間模型的化簡 120
4.4 RLC電路及機(jī)械位移系統(tǒng) 125
4.4.1 RLC電路的狀態(tài)空間建模 125
4.4.2 RLC電路的仿真分析 126
4.4.3 機(jī)械位移系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模 127
4.4.4 機(jī)械位移系統(tǒng)的仿真分析 128
本章小結(jié) 129
Chapter 4 State-Space Modeling 130
4.1 State-Space Description 131
4.1.1 Modern Control Theory 131
4.1.2 Modern Control Theory Versus Conventional Control Theory 131
4.1.3 State 131
4.1.4 State Variables 131
4.1.5 State Vector 132
4.1.6 State Space 132
4.1.7 State-Space Equations 132
4.2 State-Space Model in MATLAB 133
4.2.1 MATLAB Functions Related to State-Space Model 133
4.2.2 Create State-Space Model by Using Functions 134
4.3 Conversions Between Models 137
4.3.1 Functions Related to Conversions Between Models 138
4.3.2 Examples of conversion Between Models 138
4.3.3 Simplification of State-Space Models 141
4.4 RLC Circuits and Mechanical Displacement Systems 147
4.4.1 State-Space Modeling of RLC Circuit 147
4.4.2 Simulation Analysis of an RLC Circuit 148
4.4.3 State-Space Modeling of Mechanical Displacement Systems 149
4.4.4 Simulation Analysis A Mechanical Displacement System 151
Summary 152
生詞注解 152
第5章 雙容水箱液位系統(tǒng)建模 153
5.1 建模方法簡介 154
5.2 雙容水箱液位系統(tǒng) 154
5.3 假設(shè) 155
5.3.1 壓縮性 155
5.3.2 粘度 155
5.3.3 無旋流 155
5.3.4 穩(wěn)定流動(dòng) 155
5.4 運(yùn)動(dòng)微分方程 155
5.5 線性化和傳遞函數(shù) 157
5.5.1 線性化 157
5.5.2 傳遞函數(shù)模型 160
5.6 求解與仿真分析 161
5.6.1 解析解 161
5.6.2 仿真分析 162
本章小結(jié) 166
Chapter 5 Modeling of a Double-Tank System 167
5.1 Introduction to Modeling Methods 168
5.2 A Double Tank System 168
5.3 Assumptions 169
5.3.1 Compressibility 169
5.3.2 Viscosity 169
5.3.3 Irrotational Flow 170
5.3.4 Steady Flow 170
5.4 Differential Equations of Motion 170
5.5 Linearization and Transfer Functions 172
5.5.1 Linearization 172
5.5.2 Transfer Function Model 175
5.6 Solution and Simulation Analysis 176
5.6.1 Analytical Solution 176
5.6.2 Simulation Analysis 177
Summary 182
生詞注解 182
第6章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 183
6.1 穩(wěn)定性的定義和判定 184
6.1.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性 184
6.1.2 MATLAB中穩(wěn)定判斷的函數(shù) 185
6.1.3 穩(wěn)定判斷實(shí)例 185
6.2 勞斯穩(wěn)定判據(jù) 189
6.3 人控制的自行車 190
6.3.1 控制要求及參數(shù)分析 191
6.3.2 穩(wěn)定性分析 192
6.3.3 擾動(dòng)響應(yīng)分析 195
6.3.4 速度影響分析 196
本章小結(jié) 198
Chapter 6 Stability of Control System 199
6.1 Definition and Judgment of Stability 200
6.1.1 Stability of System 200
6.1.2 Functions for Stability Judgment in MATLAB 201
6.1.3 Instances of Stability Judgment 201
6.2 Routh’s Stability Criterion 206
6.3 Human-Controlled Bicycle 207
6.3.1 Control Requirements and Parameter Analysis 208
6.3.2 Stability Analysis 209
6.3.3 Disturbance Response Analysis 212
6.3.4 Analysis of Speed Effect 213
Summary 215
生詞注解 215
第7章 系統(tǒng)性能的實(shí)例分析 216
7.1 典型的輸入信號(hào)與時(shí)域的性能指標(biāo) 217
7.1.1 典型的輸入信號(hào) 217
7.1.2 時(shí)域的性能指標(biāo) 217
7.1.3 仿真分析函數(shù) 218
7.2 穩(wěn)態(tài)誤差 219
7.3 飛機(jī)飛行期間的波動(dòng)控制 220
7.3.1 FV控制系統(tǒng)分析 220
7.3.2 穩(wěn)態(tài)誤差分析 222
7.3.3 暫態(tài)響應(yīng) 223
7.3.4 擾動(dòng)響應(yīng) 227
本章小結(jié) 228
Chapter 7 Case Analysis of System Performance 230
7.1 Typical Input Signals and the Time-Domain Specifications 231
7.1.1 Typical Input Signals 231
7.1.2 The Time-Domain Specifications 231
7.1.3 Simulation Analysis Functions 233
7.2 Steady-State Error 233
7.3 Fluctuation Control During Airplane Flight 234
7.3.1 Analysis of FV Control Systems 235
7.3.2 Analysis of Steady-State Error 237
7.3.3 Transient Response 238
7.3.4 Disturbance Response 242
Summary 244
生詞注解 244
第8章 主導(dǎo)極點(diǎn)法的PID控制器設(shè)計(jì)實(shí)例 245
8.1 PID控制器的概念 246
8.2 比例與積分控制的作用 246
8.2.1 比例控制下的誤差 247
8.2.2 消除積分控制中的穩(wěn)態(tài)誤差 249
8.3 比例與微分的控制作用 250
8.3.1 比例控制的不穩(wěn)定性 250
8.3.2 比例微分控制的穩(wěn)定性 252
8.4 PID控制器 254
8.5 閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn) 257
8.5.1 閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)概念 257
8.5.2 閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的設(shè)定 257
8.6 下棋機(jī)器人 260
8.6.1 控制器選擇 261
8.6.2 控制器設(shè)計(jì) 261
8.6.3 系統(tǒng)仿真 264
本章小結(jié) 269
Chapter 8 Example-s of PID Controller Design by Dominant Poles 270
8.1 Concept of PID Controller 271
8.2 Proportional and Integral Control Action 271
8.2.1 Error Under Proportional Control 272
8.2.2 Eliminating Steady-State Error in Integral Control 274
8.3 Proportional and Integral Control Action 275
8.3.1 Instability of Proportional Control 276
8.3.2 Stability of Proportional and Differential Control 277
8.4 PID Controller 280
8.5 Dominant Closed-Loop Poles 283
8.5.1 Basic Concept 283
8.5.2 Setting of Dominant Closed-Loop Poles 284
8.6 Chess Robot 287
8.6.1 Controller Selection 288
8.6.2 Controller Design 288
8.6.3 System Simulation 292
Summary 297
生詞注解 298
第9章 簡單系統(tǒng)的Simulink建模實(shí)例 299
9.1 Simulink軟件入門 300
9.1.1 啟動(dòng)Simulink軟件 300
9.1.2 Simulink的用戶界面 300
9.1.3 Simulink模型窗口 302
9.2 建立簡單模型 302
9.2.1 創(chuàng)建一個(gè)新模型 303
9.2.2 添加模塊到空白模型窗口 303
9.2.3 在模型窗口中移動(dòng)模塊 305
9.2.4 連接模型窗口中的模塊 305
9.2.5 保存模型 307
9.3 RLC電路模型仿真 308
本章小結(jié) 311
Chapter 9 Simulink Modeling Examples for Simple Systems 312
9.1 Introduction to Simulink Software 313
9.1.1 Starting Simulink Software 313
9.1.2 Simulink User Interface 314
9.1.3 Simulink Model Window 315
9.2 Creating a Simple Model 316
9.2.1 Creating a New Model 316
9.2.2 Adding Blocks to Your Model 317
9.2.3 Moving Blocks in the Model Window 318
9.2.4 Connecting Blocks in the Model Window 319
9.2.5 Saving the Model 321
9.3 RLC Circuit Model Simulation 321
Summary 324
生詞注解 325
第10章 房屋加熱系統(tǒng)建模實(shí)例 326
10.1 創(chuàng)建和封裝子系統(tǒng) 327
10.1.1 創(chuàng)建子系統(tǒng) 327
10.1.2 封裝Subsystem 328
10.2 房屋加熱模型剖析 331
10.2.1 打開演示模型 331
10.2.2 剖析模型 331
10.2.3 子系統(tǒng)模型的使用 332
10.3 房屋熱力系統(tǒng)模型 334
10.3.1 概述 334
10.3.2 房屋加熱模型的構(gòu)成 336
10.3.3 運(yùn)行仿真并觀察結(jié)果 338
10.3.4 注釋 339
本章小結(jié) 339
Chapter 10 Modeling the House Heating System 340
10.1 Creating and Masking Subsystems 341
10.1.1 Creating Subsystems 341
10.1.2 Masking Subsystems 342
10.2 Anatomy of the House Heating Model 346
10.2.1 Opening the Demo Model 346
10.2.2 Anatomy of the Model 346
10.2.3 Using Subsystems 347
10.3 Thermal Model of a House 349
10.3.1 Introduction 349
10.3.2 The House Heating Model Components 349
10.3.3 Running the Simulation and Visualizing the Results 353
10.3.4 Remarks 353
Summary 354
生詞注解 354
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