计算机控制与仿真技术

随着计算机技术在各个领域的广泛应用以及微处理器和微型计算机的迅猛发展，使得“掌握和运用计算机技术的水平及能力”成为衡量一个专业技术人员素质的重要标准，而计算机仿真又是分析、研究、设计控制系统的强有力工具，是从事自动化、控制系统工程、计算机应用等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。

本教材编写的目的是为了适应当前科技的发展和实际工程应用的需要，为高等学校应用型本科教育的工科机电类控制专业和计算机应用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，理解控制原理和系统的分析方法，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，培养扎实的操作技能，为今后在相关领域的应用打下良好的基础。

在本课程的讲授过程中，强调以应用技术为主线，通过控制与仿真的应用实例分析，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。应用技术教育需要一定的专业基础理论知识，更注重面向生产一线的应用型人才的专业技能和实用技术的培养。基于这种指导思想，本书在编写过程中力争做到：相关概念、理论及应用均以基本要求为主，突出实用的特点；在表达上做到层次清晰，脉络分明，易于理解；在内容的编排上由浅入深，循序渐进，突出重点，通俗易懂。

全书共计10章。第1章介绍自动控制与系统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及其相互转换；第3章介绍控制原理和系统性能的时域分析法和频率分析法；第4章介绍计算机控制技术的应用，以常见的程序设计、数字PID调节、直接数字控制系统等内容为主；第5章介绍采用数值积分法和离散相似法对不同系统的仿真原理及应用；第6章介绍MATLAB程序设计语言；第7章介绍控制系统的MATLAB应用；第8章介绍SIMULINK交互式仿真环境；第9章介绍控制系统的SIMULINK仿真；第10章介绍控制系统的计算机仿真应用实例分析。每章后面给出了本章小结和思考题与习题。

本书由杨立任主编，齐建玲、曲凤娟、朱蓬华任副主编。各章内容编写分工如下：杨立负责编写第1～3章和第5章；曲凤娟负责编写第4章；朱蓬华负责编写第6章；齐建玲负责编写第7～10章。赵丑民、邹澎涛、李杰、王振夺、韩煜、赵辉、李京辉、金永涛、王静、鲁振华、陈征峰等也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

2006年6月

序
前言
第1章 控制与仿真的基础知识 1
本章学习目标 1
1.1 自动控制的基本概念及其应用 1
1.1.1 控制理论的发展 1
1.1.2 自动控制的概念及其应用 2
1.1.3 自动控制的任务 4
1.1.4 自动控制的基本方式 5
1.1.5 对控制系统的性能要求 10
1.2 控制系统的组成及分类 11
1.2.1 控制系统的组成 11
1.2.2 控制系统的分类 12
1.3 计算机仿真概述 13
1.3.1 仿真的概念和仿真过程 14
1.3.2 系统仿真的分类 16
1.4 计算机仿真的特点及其应用 18
1.4.1 计算机仿真的特点 18
1.4.2 计算机仿真技术的应用 19
本章小结 19
思考题与习题 20
第2章 控制系统的数学模型 22
本章学习目标 22
2.1 数学模型概述 22
2.1.1 数学模型的含义 22
2.1.2 数学模型的分类 22
2.1.3 数学模型的建立方法 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）变换 26
2.2.3 微分方程的求解 29
2.2.4 非线性数学模型的线性化处理 30
2.3 传递函数 32
2.3.1 传递函数的概念 32
2.3.2 典型环节及其传递函数 34
2.3.3 自动控制系统的传递函数 37
2.4 系统动态结构图及其等效变换 38
2.4.1 结构图的组成及绘制 38
2.4.2 结构图的等效变换 40
2.5 状态空间描述 42
2.5.1 状态变量 42
2.5.2 状态方程 44
2.6 数学模型的相互转换 44
本章小结 46
思考题与习题 46
第3章 控制原理和分析方法 48
本章学习目标 48
3.1 典型输入信号及其响应 48
3.1.1 概述 48
3.1.2 典型输入信号 48
3.1.3 典型信号的响应 51
3.2 时域分析法 53
3.2.1 一阶系统的时域响应 53
3.2.2 二阶系统的时域响应 57
3.2.3 控制系统的稳定性分析 60
3.2.4 控制系统的稳态误差分析 66
3.3 频率分析法 70
3.3.1 频率特性的概念 71
3.3.2 典型环节的频率特性 72
3.3.3 系统开环频率特性的绘制 76
3.3.4 系统性能的分析和计算 77
本章小结 81
思考题与习题 81
第4章 计算机控制技术的应用 84
本章学习目标 84
4.1 微机控制系统概述 84
4.1.1 微机控制系统的组成 84
4.1.2 微机控制系统的分类 85
4.1.3 微机控制系统的设计 86
4.2 常用控制程序的设计 87
4.2.1 常用报警程序 87
4.2.2 数字滤波程序 91
4.3 PID控制及其应用 96
4.3.1 数字PID控制算法 96
4.3.2 数字PID控制算法的改进 98
4.3.3 PID调节器参数的整定 102
4.4 直接数字控制系统 106
4.4.1 最少拍系统设计 106
4.4.2 达林算法 110
本章小结 113
思考题与习题 114
第5章 系统仿真算法分析 115
本章学习目标 115
5.1 数值积分法 115
5.1.1 欧拉（Euler）法 116
5.1.2 梯形法 117
5.1.3 龙格—库塔（Runge—Kutta）法 118
5.1.4 数值积分公式的应用 120
5.1.5 仿真精度与系统稳定性 122
5.2 快速仿真算法 124
5.2.1 时域矩阵法 124
5.2.2 增广矩阵法 126
5.2.3 替换法 129
5.2.4 根匹配法 130
5.3 离散相似法 133
5.3.1 仿真算法描述 133
5.3.2 典型环节的离散模型 135
5.4 线性系统仿真 136
5.4.1 线性系统的数值积分法仿真 136
5.4.2 线性系统的离散相似法仿真 140
5.5 非线性系统仿真 141
5.5.1 典型非线性特性 142
5.5.2 非线性系统的仿真过程及应用 144
5.6 采样系统仿真 146
5.6.1 采样控制系统的算法描述 146
5.6.2 采样周期与仿真步距的关系 148
5.6.3 采样系统的仿真应用 149
本章小结 152
思考题与习题 152
第6章 MATLAB程序设计语言 155
本章学习目标 155
6.1 MATLAB基础 155
6.1.1 MATLAB的产生与发展 155
6.1.2 MATLAB的主要功能 156
6.1.3 MATLAB的特点 156
6.1.4 MATLAB 6.x版本的改进 157
6.2 MATLAB操作平台 158
6.2.1 MATLAB的安装 158
6.2.2 MATLAB桌面平台 159
6.2.3 MATLAB的程序编辑器 162
6.2.4 MATLAB中的M文件与M函数 162
6.2.5 MATLAB帮助系统 164
6.3 MATLAB的基本应用 166
6.3.1 MATLAB数值运算基础 166
6.3.2 MATLAB绘图 172
6.3.3 MATLAB程序设计基础 176
本章小结 179
思考题与习题 180
第7章 控制系统的MATLAB仿真 181
本章学习目标 181
7.1 控制系统的模型表示 181
7.1.1 系统的传递函数模型表示 181
7.1.2 零极点增益模型 182
7.1.3 状态空间模型 183
7.1.4 系统不同模型间的相互转换 184
7.2 环节方框图模型的化简 186
7.2.1 环节串联连接的化简 186
7.2.2 环节并联连接的化简 188
7.2.3 环节反馈连接的化简 189
7.3 控制系统时域分析的MATLAB实现 191
7.3.1 概述 191
7.3.2 连续系统的单位阶跃响应 191
7.3.3 连续系统的单位脉冲响应 193
7.3.4 连续系统的零输入响应 195
7.4 控制系统频域分析的MATLAB实现 195
7.4.1 概述 195
7.4.2 求连续系统的伯德图 196
7.4.3 绘制系统奈奎斯特曲线图的函数 196
7.4.4 求连续系统Nichols曲线的函数 197
7.4.5 求系统幅值裕度与相位裕度 197
7.5 利用MATLAB语言进行编程仿真的应用 199
7.5.1 面向传递函数的线性系统仿真 199
7.5.2 面向结构图的线性系统仿真 203
7.5.3 线性系统的离散相似法仿真 206
7.5.4 非线性系统离散相似法仿真 208
7.5.5 采样控制系统仿真 213
本章小结 219
思考题与习题 220
第8章 SIMULINK交互式仿真环境 222
本章学习目标 222
8.1 SIMULINK简介 222
8.1.1 SIMULINK概述 222
8.1.2 SIMULINK的启动与界面 223
8.2 SIMULINK基本操作 227
8.2.1 模型窗口 227
8.2.2 模块的操作处理 228
8.2.3 模块的连接 229
8.2.4 系统模型图的创建 230
8.2.5 自定义模块库和子系统 232
8.2.6 模型文件的保存与打开 236
本章小结 236
思考题与习题 237
第9章 控制系统的SIMULINK仿真 239
本章学习目标 239
9.1 SIMULINK仿真的参数设置 239
9.1.1 系统模型的实时操作与仿真参数设置 239
9.1.2 Solver解算器选项卡的参数设置 240
9.1.3 Workspace I/O工作空间选项卡参数设置 241
9.2 控制系统的SIMULINK仿真 242
9.2.1 利用SIMULINK系统仿真模型的仿真处理 242
9.2.2 利用SIMULINK动态结构图的仿真处理 249
本章小结 254
思考题与习题 254
第10章 控制系统的计算机仿真应用实例 256
本章学习目标 256
10.1 问题的描述 256
10.2 系统的模型表示 257
10.3 系统的仿真设计 257
10.3.1 利用MATLAB进行仿真设计 257
10.3.2 利用Simulink进行仿真设计 261
本章小结 263
参考文献 264

1. 单片机应用系统设计安装与调试 [主编 田浩鹏]
2. 计算机控制技术 [刘福荣 主 编 ]
3. 计算机控制技术 [主 编 刘福荣]
4. 自动控制原理实践教程 [彭学锋 等编著]
5. 计算机控制及网络技术 [龙志强 等编著]
6. 计算机控制与仿真技术（第二版） [杨立 主编]