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本書是一本控制系統(tǒng)建模、仿真與設計的立體教程，針對的讀者群是零基礎小白。通過本書的學習，讀者能夠成為熟練的使用仿真工具來進行控制系統(tǒng)分析。本書主要包括MATLAB基本應用，矩陣基本運算、圖形繪制及數(shù)據可視化、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、MATLAB在控制系統(tǒng)仿真中的應用方法、Simulink與系統(tǒng)仿真、以直流電機和倒立擺為被控對象的典型控制系統(tǒng)實驗案例和項目制控制系統(tǒng)設計案例。本書適合作為控制系統(tǒng)仿真、計算機輔助設計等工程應用的自學入門參考讀物。

MATLAB是一個功能十分強大的開發(fā)平臺，具有極其豐富的功能，在計算機程序設計、科學計算和數(shù)據分析、系統(tǒng)建模仿真與輔助設計和大部分行業(yè)(如通信、自動控制、大數(shù)據、人工智能和機器學習、金融等)的工程實踐中都得到了廣泛的應用。與傳統(tǒng)的計算機編程語言相比，MATLAB在解決技術問題方面具有許多優(yōu)勢，主要包括如下幾方面。

(1) 使用方便。MATLAB是一種解釋型程序設計語言，既可以用腳本命令的形式實現(xiàn)程序算法中的各步操作，也可以用于執(zhí)行大型的程序。使用內置的MATLAB集成開發(fā)環(huán)境，可以輕松地編寫、修改和調試程序。

(2) 平臺獨立性。MATLAB支持許多不同的計算機系統(tǒng)，例如，Windows、Linux和macOS。在任何平臺上編寫的程序和數(shù)據都可以在所有其他平臺上運行和訪問。因此，用MATLAB編寫的程序可以在用戶需要發(fā)生變化時遷移到新的平臺。

(3) MATLAB編譯器。MATLAB的靈活性和平臺獨立性是通過將MATLAB程序編譯成獨立于設備的代碼，然后在運行時解釋代碼指令來實現(xiàn)的。MATLAB提供了一個單獨的MATLAB編譯器，可以將MATLAB程序編譯成真正的可執(zhí)行文件，其運行速度超過解釋的代碼。

(4) 豐富的預定義函數(shù)庫。MATLAB提供了大量的預定義函數(shù)庫，為許多基本技術任務提供了經過測試和預打包的諸多解決方案。除了內置的大型函數(shù)庫，還有許多特殊用途的工具箱可用于幫助用戶解決特定工程領域的復雜問題。例如，利用附加工具箱可以解決信號處理、控制系統(tǒng)、通信、圖像處理、人工智能、深度學習和神經網絡等方面的工程問題。

(5) 設備獨立的繪圖功能。與大多數(shù)計算機語言不同，MATLAB有許多完整的繪圖命令，以實現(xiàn)科學計算數(shù)據的可視化和圖形圖像的處理，圖像可以顯示在計算機所支持的任何圖形輸出設備上。這些功能使MATLAB成為一個用于計算數(shù)據可視化的優(yōu)秀工具，在各種工程領域得到大量應用。

(6) 圖形化的用戶界面。MATLAB系統(tǒng)包括允許程序員為其程序交互式構建圖形用戶界面的工具。有了這種功能，程序員可以設計出復雜的數(shù)據分析程序，可以由相對沒有經驗的用戶操作。

本書主要面向具有計算機基礎但還沒有編程基礎的工程技術人員、高等學校低年級學生。從基礎的程序設計開始，緊扣理工科專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和專業(yè)知識結構，涵蓋了控制系統(tǒng)建模、仿真與控制器設計的知識點和控制系統(tǒng)綜合設計案例，逐步引導讀者進入專業(yè)基礎課和專業(yè)課程的學習。

全書主要內容分為五篇，第一篇主要介紹MATLAB的基本應用、矩陣和矩陣運算、
圖形繪制與
數(shù)據可視化和MATLAB程序設計基本方法；第二篇主要介紹使用MATLAB工具箱完成線性系統(tǒng)的建模、性質分析、時域響應分析、根軌跡和頻域分析方法；第三篇主要介紹Simulink的基本用法、控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的仿真、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與穩(wěn)態(tài)誤差仿真、系統(tǒng)串聯(lián)校正器設計、PID控制器設計和非線性系統(tǒng)仿真與設計；第四篇以典型被控對象直流電機和旋轉倒立擺系統(tǒng)為例，綜合應用MATLAB和Simulink及相關工具箱完成硬件在環(huán)系統(tǒng)建模、仿真與控制器設計；第五篇給出了兩個項目制的控制系統(tǒng)設計案例垃圾分揀系統(tǒng)設計和平衡球傳遞系統(tǒng)設計，以項目案例為牽引使學生進一步深入理解控制系統(tǒng)建模、仿真與設計的方法，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和綜合能力。

本書的主要特色如下。

(1) 內容淺顯易懂。本書主要面向控制理論初學者，引導讀者打開控制系統(tǒng)建模、仿真與設計的大門，快速掌握控制系統(tǒng)分析和設計的基本概念和方法。章節(jié)內容循序漸進、淺顯易懂，語言表述嚴謹、邏輯性強。

(2) 講練同步融合。各章節(jié)在相關內容講授之后，立即安排適量的例題和同步練習題。所有例題代碼都在MATLAB R2023a版本上調試通過，同步練習題可以幫助讀者自我檢查對當前內容的掌握情況，以便及時跟進。

(3) 面向工程應用。控制系統(tǒng)的設計主要是面向工程應用，本書專門用了一整篇(第五篇)的篇幅，介紹控制系統(tǒng)設計在工程中的實際應用，提高學習者的主觀能動性和綜合能力。

在本書的撰寫過程中，特別感謝聶敏老師、杜欣悅同學的大力支持。由于時間倉促，書中難免存在疏漏和不足之處，懇請讀者批評指正。

李怡然2025年1月

目錄
第一篇MATLAB程序設計基礎
第1章MATLAB的基本應用
微課視頻20分鐘
1.1MATLAB入門
1.2命令行窗口
1.3腳本和實時腳本
1.3.1腳本
1.3.2實時腳本
1.3.3幫助和文檔
第2章矩陣和矩陣運算
微課視頻23分鐘
2.1矩陣的創(chuàng)建
2.1.1矩陣的構建
2.1.2創(chuàng)建特殊矩陣
2.1.3矩陣的串聯(lián)
2.1.4冒號表達式
2.1.5矩陣位置索引
2.1.6從矩陣中刪除行或列
2.2矩陣的基本運算
2.2.1矩陣的代數(shù)運算
2.2.2矩陣的點運算
2.2.3矩陣的邏輯運算與比較運算
2.2.4矩陣的轉置、翻轉與旋轉
2.2.5矩陣的基本分析
2.3創(chuàng)新案例
第3章圖形繪制與數(shù)據可視化
微課視頻13分鐘
3.1二維曲線的繪制
3.1.1二元數(shù)據的曲線繪制
3.1.2曲線圖形的屬性設置
3.1.3將多個圖形在同一窗口繪制
3.2三維圖形表示
3.2.1三維曲線繪制
3.2.2三維曲面繪制
3.2.3三維圖形視角設置
3.3創(chuàng)新案例
第4章MATLAB程序設計
微課視頻23分鐘
4.1程序控制結構
4.1.1順序結構
4.1.2選擇結構
4.1.3循環(huán)結構
4.2M文件編輯和調試
4.2.1斷點
4.2.2運行和單步調試
4.2.3節(jié)
4.3創(chuàng)新案例
第二篇MATLAB在自動控制理論中的應用
第5章線性控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
微課視頻31分鐘
5.1控制系統(tǒng)數(shù)學描述
5.1.1傳遞函數(shù)模型
5.1.2狀態(tài)空間方程
5.1.3零極點增益模型
5.1.4離散系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型
5.1.5離散系統(tǒng)狀態(tài)空間方程
5.2不同模型之間的轉換
5.2.1連續(xù)模型和離散模型之間的轉換
5.2.2狀態(tài)空間方程與傳遞函數(shù)之間的轉換
5.2.3傳遞函數(shù)的狀態(tài)空間實現(xiàn)
5.2.4系統(tǒng)最小實現(xiàn)
5.3控制系統(tǒng)框圖簡化
5.4創(chuàng)新案例
第6章線性系統(tǒng)性質分析
6.1線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
6.2線性系統(tǒng)可控性分析
6.3線性系統(tǒng)可觀測性分析
6.4創(chuàng)新案例
第7章線性系統(tǒng)時域分析
微課視頻33分鐘
7.1線性系統(tǒng)時域響應
7.1.1線性系統(tǒng)的階躍響應和脈沖響應
7.1.2零初始狀態(tài)系統(tǒng)響應
7.1.3線性系統(tǒng)任意初始狀態(tài)的響應
7.2典型二階系統(tǒng)的階躍響應
7.2.1二階系統(tǒng)時域動態(tài)性能指標及其數(shù)值計算方法
7.2.2二階系統(tǒng)時域動態(tài)性能指標解析解法
7.3創(chuàng)新案例
第8章線性系統(tǒng)根軌跡分析
微課視頻21分鐘
8.1根軌跡法
8.2創(chuàng)新案例
第9章線性系統(tǒng)頻域分析
9.1單變量線性系統(tǒng)頻域分析
9.2基于頻率特性的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
9.3系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度
9.4創(chuàng)新案例
第三篇Simulink在自動控制理論中的應用
第10章Simulink與系統(tǒng)仿真
微課視頻22分鐘
10.1Simulink工作環(huán)境
10.1.1基礎模型建立
10.1.2基礎模型仿真實現(xiàn)
10.1.3Simulink模塊庫
10.2Simulink環(huán)境設置
10.2.1功能模塊操作
10.2.2設置仿真起止時間及步長
10.2.3參數(shù)設置方法
10.3與M文件組合仿真
10.3.1仿真運行命令
10.3.2仿真函數(shù)調用格式
10.4仿真案例
10.5子系統(tǒng)封裝
10.5.1子系統(tǒng)劃分
10.5.2與函數(shù)模塊組合仿真
第11章典型一階、二階系統(tǒng)的仿真與分析
11.1典型一階系統(tǒng)仿真
11.1.1比例環(huán)節(jié)
11.1.2積分環(huán)節(jié)
11.1.3微分環(huán)節(jié)
11.1.4慣性環(huán)節(jié)
11.1.5比例積分環(huán)節(jié)
11.1.6比例微分環(huán)節(jié)
11.2典型二階系統(tǒng)仿真
11.2.1頻率固定阻尼變化情況
11.2.2阻尼固定頻率變化情況
11.3創(chuàng)新案例
第12章系統(tǒng)穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)誤差仿真與分析
12.1穩(wěn)定性仿真與分析
12.1.1開環(huán)增益與閉環(huán)系統(tǒng)
12.1.2開環(huán)增益值對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響
12.2穩(wěn)態(tài)誤差仿真與分析
12.2.1穩(wěn)態(tài)誤差的概念
12.2.2穩(wěn)態(tài)誤差仿真實例
12.3創(chuàng)新案例
第13章串聯(lián)超前、滯后校正仿真與設計
13.1超前校正分析與仿真
13.1.1超前校正原理
13.1.2串聯(lián)超前校正設計
13.2滯后校正分析與仿真
13.2.1滯后校正原理
13.2.2串聯(lián)滯后校正
13.3創(chuàng)新案例
第14章PID控制器參數(shù)仿真與設計
14.1PID控制器介紹
14.2PID試湊原則
14.3PID控制器仿真案例
14.4創(chuàng)新案例
第15章非線性系統(tǒng)仿真與分析
微課視頻22分鐘
15.1Simulink非線性模塊
15.1.1時變系統(tǒng)仿真
15.1.2多值非線性環(huán)節(jié)仿真
15.2非線性系統(tǒng)的極限環(huán)仿真研究
15.3計算機控制系統(tǒng)仿真
15.4創(chuàng)新案例
第四篇典型控制系統(tǒng)實驗
第16章直流電機的控制系統(tǒng)分析與設計
微課視頻37分鐘
16.1直流電機系統(tǒng)模型
16.1.1直流電機電壓速度模型
16.1.2直流電機電壓位置模型
16.2直流電機系統(tǒng)時域分析
16.2.1一階閉環(huán)系統(tǒng)時域分析
16.2.2二階閉環(huán)系統(tǒng)時域分析
16.2.3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析
16.3直流電機系統(tǒng)頻域分析
16.4直流電機伺服系統(tǒng)雙閉環(huán)控制器設計
16.5直流電機二階系統(tǒng)的超前補償器設計
16.6參考實驗步驟
第17章旋轉倒立擺的控制系統(tǒng)分析與設計
17.1旋轉倒立擺數(shù)學模型
17.1.1穩(wěn)擺控制數(shù)學模型
17.1.2起擺控制數(shù)學模型
17.2旋轉倒立擺穩(wěn)擺控制
17.3旋轉倒立擺起擺控制
17.3.1能量控制
17.3.2混合控制
17.4旋轉擺LQR控制器設計
17.5參考實驗步驟
第五篇項目制控制系統(tǒng)設計案例
第18章垃圾分揀系統(tǒng)設計
微課視頻16分鐘
18.1項目背景
18.2項目任務
18.3系統(tǒng)結構
18.3.1硬件設備選型
18.3.2系統(tǒng)軟件模型
18.4項目實施過程
18.4.1項目制創(chuàng)新性實驗參考流程
18.4.2設計要點和創(chuàng)新點
第19章平衡球傳遞系統(tǒng)設計
19.1項目背景
19.2項目任務
19.3系統(tǒng)設計
19.3.1機械結構設計
19.3.2視覺位移檢測模型
19.3.3單體平衡球控制系統(tǒng)設計
19.3.4傳遞協(xié)作機制設計
19.3.5平衡球傳遞系統(tǒng)控制器設計
19.4項目實施過程
19.4.1項目制創(chuàng)新性實驗參考流程
19.4.2設計要點和創(chuàng)新點

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