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| 內容簡介： |
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本书适用于本科、研究生的"系统建模与仿真双语课程。通过有趣的实例，串接了整个MATLAB平台基础运用，即基本运算操作、矩阵操作等；以简单系统的建模、复杂系统的建模、分析和设计为基础，讲述系统的建模理论和方法；以实际控制的稳定性实例仿真分析，讲述系统的稳定分析方法；以实际系统的根轨迹分析设计，讲述了系统的根轨迹设计方法。系统PID实例部分，讲述了系统PID设计方法。全书由浅至深，覆盖到本课程的主要相关知识。
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| 關於作者： |
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钱慧芳，女，西安工程大学副教授，硕士研究生学历，毕业于西北纺织学院（现西安工程大学）。在西安工程大学从事本科生、研究生的"系统建模与仿真（本）"系统建模与仿真（硕）"自动控制原理"虚拟仪器技术等课程的教学工作多年。所教授的"系统建模与仿真（本）使用自编讲义十多年。
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| 目錄：
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第1章 MATLAB基础知识 1
1.1 MATLAB入门 2
1.1.1 输入矩阵 2
1.1.2 求和、转置和对角线 3
1.1.3 下标 4
1.1.4 冒号运算符 4
1.1.5 魔方阵函数 5
1.2 表达式 5
1.2.1 变量 5
1.2.2 数字 5
1.2.3 运算符 5
1.2.4 函数 6
1.3 矩阵操作 7
1.3.1 生成矩阵 7
1.3.2 M文件 7
1.3.3 连接 7
1.3.4 删除行和列 8
1.4 命令窗口与常用函数 8
1.4.1 格式命令与长命令行 8
1.4.2 隐藏输出 9
1.4.3 命令行编辑 9
1.4.4 常用基本函数 10
1.4.5 常用进阶函数 11
1.5 绘图 13
1.5.1 创建一个图 13
1.5.2 图形窗口 14
1.5.3 添加图形至现有的图 15
1.5.4 绘制子图 15
1.5.5 隐函数绘图 16
1.5.6 轴的控制 16
1.5.7 轴标记和标题 17
1.5.8 plot3和mesh 18
1.5.9 图像 19
本章小结 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
生词注解 41
第2章 MATLAB编程 43
2.1 流控制 44
2.1.1 if语句 44
2.1.2 for和while语句 44
2.1.3 break语句 45
2.1.4 switch和case 46
2.2 脚本 46
2.3 函数 47
2.4 编程实例 51
本章小结 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
生词注解 68
第3章 控制系统的传递函数模型 69
3.1 线性定常系统简介 70
3.2 线性定常系统的传递函数 70
3.2.1 简介 70
3.2.2 定义 70
3.2.3 相关说明 71
3.3 基于MATLAB的传递函数描述 72
3.3.1 传递函数的降幂排列标准形式 72
3.3.2 传递函数的零极点模型 74
3.3.3 传递函数的部分分式展开 79
3.4 结构图的连接与化简 80
3.4.1 相关函数 81
3.4.2 连接与化简实例 81
3.5 建模与仿真实例 83
3.5.1 RLC电路的传递函数建模 84
3.5.2 RLC电路的仿真分析 84
3.5.3 机械位移系统的传递函数建模 85
3.5.4 机械位移系统的仿真分析 86
本章小结 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
生词注解 108
第4章 状态空间模型 109
4.1 状态空间描述 110
4.1.1 现代控制理论 110
4.1.2 现代控制理论与传统控制理论的比较 110
4.1.3 状态 110
4.1.4 状态变量 110
4.1.5 状态向量 111
4.1.6 状态空间 111
4.1.7 状态空间方程 111
4.2 MATLAB中的状态空间模型 112
4.2.1 状态空间模型相关的MATLAB函数 112
4.2.2 运用函数建立状态空间模型 113
4.3 模型间的转换 116
4.3.1 实现模型之间转换的MATLAB函数 116
4.3.2 模型之间的转换实例 116
4.3.3 状态空间模型的化简 120
4.4 RLC电路及机械位移系统 125
4.4.1 RLC电路的状态空间建模 125
4.4.2 RLC电路的仿真分析 126
4.4.3 机械位移系统的状态空间建模 127
4.4.4 机械位移系统的仿真分析 128
本章小结 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
生词注解 152
第5章 双容水箱液位系统建模 153
5.1 建模方法简介 154
5.2 双容水箱液位系统 154
5.3 假设 155
5.3.1 压缩性 155
5.3.2 粘度 155
5.3.3 无旋流 155
5.3.4 稳定流动 155
5.4 运动微分方程 155
5.5 线性化和传递函数 157
5.5.1 线性化 157
5.5.2 传递函数模型 160
5.6 求解与仿真分析 161
5.6.1 解析解 161
5.6.2 仿真分析 162
本章小结 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
生词注解 182
第6章 控制系统的稳定性 183
6.1 稳定性的定义和判定 184
6.1.1 系统稳定性 184
6.1.2 MATLAB中稳定判断的函数 185
6.1.3 稳定判断实例 185
6.2 劳斯稳定判据 189
6.3 人控制的自行车 190
6.3.1 控制要求及参数分析 191
6.3.2 稳定性分析 192
6.3.3 扰动响应分析 195
6.3.4 速度影响分析 196
本章小结 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 Rouths 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
生词注解 215
第7章 系统性能的实例分析 216
7.1 典型的输入信号与时域的性能指标 217
7.1.1 典型的输入信号 217
7.1.2 时域的性能指标 217
7.1.3 仿真分析函数 218
7.2 稳态误差 219
7.3 飞机飞行期间的波动控制 220
7.3.1 FV控制系统分析 220
7.3.2 稳态误差分析 222
7.3.3 暂态响应 223
7.3.4 扰动响应 227
本章小结 228
Chapter 7 Case Analysis of System Performance 230
7.1 Typical Input S
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| 內容試閱：
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前言
本书采用中英文对照，是针对自动化和控制类专业以及相近专业高年级本科生编写的双语教科书。同时，本书中文部分自成一体，可以作为相关专业仿真课程的教学用书；英文部分可作为专业英语学习的参考内容。作者结合控制系统的建模与仿真的教学实践与研究成果，以MATLAB R2014b为系统仿真平台，采用简洁的风格和实用的准则编写了本书。
1．本书结构与内容安排
本书共10章，在结构上分成4个主要模块。第一模块是MATLAB基础内容及其编程基本知识，包括第1章和第2章；第二模块是建立数学模型（基本传递函数模型建立和状态空间模型建立），包括第3至5章；第三模块是系统稳定性分析和系统设计，包括第6至8章；第四模块是Simulink建模，包括第9章和第10章。
第一模块主要内容：以魔方例子介绍矩阵的相关操作；介绍MATLAB环境及其帮助系统的使用；MATLAB二维和三维图形绘制以及图像的简单操作；MATLAB软件中的流程控制语句；脚本和函数具体使用，以实例分析编程技巧。
第二模块主要内容：重点介绍控制对象（包含传递函数和状态空间模型两种表达方式）的数学模型建立。其中包括三种传递函数（降幂排列的标准形式、零极点形式和部分分式展开式）及其三种连接方式（串联、并联和反馈）的MATLAB函数的表达，以及控制系统的三种模型［传递函数模型（tf）、零极点模型（zpk）和状态空间（ss）模型］形式及其相互转换的MATLAB函数的表达和实现。此外，通过两个实例建模及其仿真，分别说明简单系统的传递函数建立及其状态空间方程建立的具体过程。最后，以双容水箱液位系统为例，详细展示实际物理系统的模型建立过程，包括必要的假设、方程的推导和线性化等知识点，以及双容水箱液位系统的仿真。
第三模块主要内容：重点讨论控制系统的稳定性问题。主要以两个实例对系统的稳定性和稳态误差进行详细的分析与仿真。其次，通过实例展示使用主导极点法的PID控制器设计思路，以及具体实现的步骤。
首先，以人控制的自行车系统为例，详细分析系统的稳定性因素及其稳定条件，包括模型的各种参数对其稳定性的影响、控制器参量对稳定性的影响，还讨论了自行车运行速度对稳定性的影响。
此外，以飞机飞行期间的波动控制为例，分析阶跃输入下的稳态误差和扰动情况下的稳态误差；重点研究飞机飞行的波动控制问题，在P、PI和PID三种控制器作用下，分别分析了系统在输入和扰动两种情况下的响应，在PID控制器中，发现有一个PID控制器满足所有的设计规范要求。
最后，通过比例与积分控制实例的比较、比例与微分控制实例的比较，对PID控制实例予以说明，分别得到相应的结论。以PID控制的下棋机器人为例，利用主导极点的概念，为下棋机器人设计了一个满足带宽和超调量指标的控制器，并具体展示该设计思想的实现过程。
第四模块主要内容：重点介绍Simulink下的模型建立，以简单的实例说明简单模型的建立过程；以房屋热系统为例，详细说明子系统及其封装技术，展示房屋热系统模型的实际搭建具体步骤及其仿真的实现。
2．本书特色
本书结构清晰，内容翔实，图文并茂，实例丰富，并具有以下特色：
（1）实例丰富，简明易学。本书中，所有介绍通过MATLAB实现控制系统理论仿真部分，均采用多种实例来具体说明其操作实现过程。只要跟随本书的步骤，就能完全学会并理解。很容易验证学过的理论，并深刻理解所学知识。
（2）突出实践，易用。本书中有些章节本身就是个实际的例子，如第5章，就是双容水箱建模的实际例子。此例子既可以作为课题知识讲述建立模型的过程和方法，也可以作为毕业设计和课程设计的基础内容进行相关拓展来使用。第7章、第8章和第10章都是以具体实例展开的，均突出了实践性，学生通过实际例子的建模仿真与系统的分析设计，能够把理论与实际相结合，做到融会贯通，把理论运用于实践中，更好地掌握知识。
（3）双语对照，学习专业英语易上手。本书英文部分均参照了英文原版的专业词汇及其表达，尽可能展现地道英语语言的表达方式，克服中文式的英语表达，把艰涩难懂的专业英语转换为清晰、简洁的英文表达，对学习专业英语的方式和方法进行了有益的探索。
3．本书编者
本书的主体结构及其章节的主要内容由钱慧芳负责，书中的内容简介与前言均由钱慧芳完成。第1、4、7、8、9、10章中文和英文内容均由钱慧芳编写，第2、3、5、6章的中文和第2、5、6章中的英文，由刘薇编写了初稿，钱慧芳修订并定稿，第3章英文内容由钱慧芳编写。全书的第1到10章的中英文校对全部由惠亚玲完成。卢健参与书稿中部分例子的编写。
本书全部程序由研究生王戈在MATLAB R2014b平台上验证，书稿的文档格式及书中图的编辑也由王戈协助完成。游信勇在早期参与了书中部分例子的讨论与少部分编写工作。
4．致谢
对参与本书编写工作的所有人员表达谢意！感谢王戈和游信勇两名研究生的倾力协助！同时，对全力支持我书稿工作的女儿表达感谢！
由于作者水平有限，加之时间仓促，书中难免有不足与疏忽之处，敬请读者批评指正。
钱慧芳
2019年6月
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