隨著計算機技術在各個領域的廣泛應用以及微處理器和微型計算機的迅猛發(fā)展，使得“掌握和運用計算機技術的水平及能力”成為衡量一個專業(yè)技術人員素質的重要標準，而計算機仿真又是分析、研究、設計控制系統(tǒng)的強有力工具，是從事自動化、控制系統(tǒng)工程、計算機應用等技術人員必須掌握的一門新型技術。在高新技術領域中，控制系統(tǒng)的計算機仿真技術有著廣泛的應用前景。

本教材編寫的目的是為了適應當前科技的發(fā)展和實際工程應用的需要，為高等學校應用型本科教育的工科機電類控制專業(yè)和計算機應用專業(yè)的學生提供幫助，使他們能夠系統(tǒng)地學習計算機控制與仿真的基本知識、基本理論及其應用技術，理解控制原理和系統(tǒng)的分析方法，掌握計算機仿真的原理及仿真算法，熟練運用MATLAB和SIMULINK對控制系統(tǒng)進行仿真編程及調試、運行，培養(yǎng)扎實的操作技能，為今后在相關領域的應用打下良好的基礎。

在本課程的講授過程中，強調以應用技術為主線，通過控制與仿真的應用實例分析，強化實踐能力的鍛煉，使學生既掌握計算機控制與仿真應用的基本原理，又對新興技術有所跟蹤。應用技術教育需要一定的專業(yè)基礎理論知識，更注重面向生產(chǎn)一線的應用型人才的專業(yè)技能和實用技術的培養(yǎng)。基于這種指導思想，本書在編寫過程中力爭做到：相關概念、理論及應用均以基本要求為主，突出實用的特點；在表達上做到層次清晰，脈絡分明，易于理解；在內容的編排上由淺入深，循序漸進，突出重點，通俗易懂。

全書共計10章。第1章介紹自動控制與系統(tǒng)仿真的相關概念和基礎知識；第2章介紹控制系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、動態(tài)結構圖、狀態(tài)空間描述等數(shù)學模型及其相互轉換；第3章介紹控制原理和系統(tǒng)性能的時域分析法和頻率分析法；第4章介紹計算機控制技術的應用，以常見的程序設計、數(shù)字PID調節(jié)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)等內容為主；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)的仿真原理及應用；第6章介紹MATLAB程序設計語言；第7章介紹控制系統(tǒng)的MATLAB應用；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)的計算機仿真應用實例分析。每章后面給出了本章小結和思考題與習題。

本書由楊立任主編，齊建玲、曲鳳娟、朱蓬華任副主編。各章內容編寫分工如下：楊立負責編寫第1～3章和第5章；曲鳳娟負責編寫第4章；朱蓬華負責編寫第6章；齊建玲負責編寫第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容的編寫。全書由楊立負責統(tǒng)稿。

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

編 者

2006年6月

序
前言
第1章 控制與仿真的基礎知識 1
本章學習目標 1
1.1 自動控制的基本概念及其應用 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用 2
1.1.3 自動控制的任務 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 計算機仿真概述 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 計算機仿真的特點及其應用 18
1.4.1 計算機仿真的特點 18
1.4.2 計算機仿真技術的應用 19
本章小結 19
思考題與習題 20
第2章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 22
本章學習目標 22
2.1 數(shù)學模型概述 22
2.1.1 數(shù)學模型的含義 22
2.1.2 數(shù)學模型的分類 22
2.1.3 數(shù)學模型的建立方法 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)結構圖及其等效變換 38
2.4.1 結構圖的組成及繪制 38
2.4.2 結構圖的等效變換 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)學模型的相互轉換 44
本章小結 46
思考題與習題 46
第3章 控制原理和分析方法 48
本章學習目標 48
3.1 典型輸入信號及其響應 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 51
3.2 時域分析法 53
3.2.1 一階系統(tǒng)的時域響應 53
3.2.2 二階系統(tǒng)的時域響應 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)性能的分析和計算 77
本章小結 81
思考題與習題 81
第4章 計算機控制技術的應用 84
本章學習目標 84
4.1 微機控制系統(tǒng)概述 84
4.1.1 微機控制系統(tǒng)的組成 84
4.1.2 微機控制系統(tǒng)的分類 85
4.1.3 微機控制系統(tǒng)的設計 86
4.2 常用控制程序的設計 87
4.2.1 常用報警程序 87
4.2.2 數(shù)字濾波程序 91
4.3 PID控制及其應用 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 98
4.3.3 PID調節(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)設計 106
4.4.2 達林算法 110
本章小結 113
思考題與習題 114
第5章 系統(tǒng)仿真算法分析 115
本章學習目標 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系 148
5.6.3 采樣系統(tǒng)的仿真應用 149
本章小結 152
思考題與習題 152
第6章 MATLAB程序設計語言 155
本章學習目標 155
6.1 MATLAB基礎 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 156
6.1.4 MATLAB 6.x版本的改進 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的基本應用 166
6.3.1 MATLAB數(shù)值運算基礎 166
6.3.2 MATLAB繪圖 172
6.3.3 MATLAB程序設計基礎 176
本章小結 179
思考題與習題 180
第7章 控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 181
本章學習目標 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)時域分析的MATLAB實現(xiàn) 191
7.3.1 概述 191
7.3.2 連續(xù)系統(tǒng)的單位階躍響應 191
7.3.3 連續(xù)系統(tǒng)的單位脈沖響應 193
7.3.4 連續(xù)系統(tǒng)的零輸入響應 195
7.4 控制系統(tǒng)頻域分析的MATLAB實現(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語言進行編程仿真的應用 199
7.5.1 面向傳遞函數(shù)的線性系統(tǒng)仿真 199
7.5.2 面向結構圖的線性系統(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 219
思考題與習題 220
第8章 SIMULINK交互式仿真環(huán)境 222
本章學習目標 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 236
思考題與習題 237
第9章 控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真 239
本章學習目標 239
9.1 SIMULINK仿真的參數(shù)設置 239
9.1.1 系統(tǒng)模型的實時操作與仿真參數(shù)設置 239
9.1.2 Solver解算器選項卡的參數(shù)設置 240
9.1.3 Workspace I/O工作空間選項卡參數(shù)設置 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)結構圖的仿真處理 249
本章小結 254
思考題與習題 254
第10章 控制系統(tǒng)的計算機仿真應用實例 256
本章學習目標 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)的仿真設計 257
10.3.1 利用MATLAB進行仿真設計 257
10.3.2 利用Simulink進行仿真設計 261
本章小結 263
參考文獻 264

1. 單片機應用系統(tǒng)設計安裝與調試 [主編 田浩鵬]
2. 計算機控制技術 [劉福榮 主 編 ]
3. 計算機控制技術 [主 編 劉福榮]
4. 自動控制原理實踐教程 [彭學鋒 等編著]
5. 計算機控制及網(wǎng)絡技術 [龍志強 等編著]
6. 計算機控制與仿真技術（第二版） [楊立 主編]