《控制系統設計與仿真》是2004年8月9日清華大學出版社出版的圖書，作者是李宜達。
基本介紹
- 書名：控制系統設計與仿真
- 作者：李宜達
- ISBN：9787302090366
- 頁數：356
- 出版社：清華大學出版社
- 出版時間：2004年8月9日
- 裝幀：平裝
- 版次：1-1
圖書簡介,圖書前言,圖書目錄,
圖書簡介
本書不拘泥於嚴謹的控制理論，而使用MATLAB/SIMULINK來了解控制工程的問題，內容包含兩個部分；第1部分介紹SIMULINK的使用方法，從基本功能到高級功能都配合範例進行了詳細介紹，並分析了第一個模組；第2部分介紹控制系統的設計、分析與仿真、如時域回響分析、頻域回響分析、根軌跡法、狀態空間設計法及離散控制系統等。
本書內容簡潔實用，循序漸進，是一本適合專科以上理工科學生及工作人員自學的工具書。
本書內容簡潔實用，循序漸進，是一本適合專科以上理工科學生及工作人員自學的工具書。
圖書前言
MATLAB是一個功能相當強大的數值分析仿真軟體，它在圖形影像的處理上，有堪稱一流的表現。另外，它還提供了眾多不同功能的工具箱(Toolbox)，適合套用於不同的工程領域，這更增加了它的完整性。SIMULINK為後起之秀，儼然成了Math Works的明日之星，全依賴其圖形化易學易用的特性，用戶已不需要記憶很多函式命令，只需根據模組的功能，就能輕易地組合要仿真的模型。
本書包含兩部分內容，第1部分說明SIMULINK的用法，第2部分則使用MATLAB/SIMULINK闡述控制系統中的一些基本原理，如時域回響分析法、頻域回響分析法、根軌跡法、狀態空間設計法及離散控制系統等。筆者並非數學專家，所學有限，故本書不以嚴謹的控制理論為基礎，而著重於套用MATLAB/SIMULINK來解決控制工程問題。讀者若能從本書中獲得一些知識，就是筆者最大的願望。
本書分為兩大部分共14章，具體如下：
第1章說明MATLAB/SIMULINK的簡要功能，並說明其在控制系統分析仿真上的方便性，並介紹MATLAB的基本使用法，作為全書學習的基礎。
第1部分為SIMULINK篇，包括第2～6章。
第2章說明SIMULINK快速使用法，目的是讓讀者研讀完此章後，就能對SIMULINK立即上手、使用。列舉3個簡單模型作為範例，介紹SIMULINK的使用手法。
第3章進一步說明使用SIMULINK建構模型的一些基本方法。
第4章說明在SIMULINK環境中仿真及仿真結果的分析。討論設定仿真參數值以及如何從SIMULINK選單或MATLAB命令視窗中，開始仿真的執行，並且討論不同疊代演算法。以及討論SIMULINK所提供線性化以及平衡點相關的工具指令。
第5章說明如何使用SIMULINK提供的Masking功能，可以自定義模組(block)或子系統(subsystem)，也可以產生新的對話框和新的模組圖示(icon)。
第6章說明SIMULINK所提供模組庫(block library)的功能，並對內含的每一個模組都有功能及使用上的說明，有些還附有範例。本章對需要深入了解SIMULINK的讀者而言是重要的一章。
第2部分為控制系統篇，包括第7～14章。
第7章內容以不同的系統為例，說明如何在MATLAB/SIMULINK環境中，建構動態系統的數學模型。
第8章說明控制系統的時域回響，並介紹根軌跡分析法。
第9章說明頻率回響分析法，包含有波德圖、奈奎斯特穩定準則、相位邊限與增益邊限等相關論述。
第10章說明如何根據系統規格設計控制器(或稱補償器)，包含有PID控制器、相位滯後補償器，相位超前補償器和相位滯後-超前補償器等。
第11章說明狀態空間分析法，內容包含有極點安置設計、觀測器設計和線性二次最佳控制器設計等。
第12章簡要說明離散控制系統，內容包含有取樣頻率的選擇、時域分析法、頻域分析法。
第13章說明控制系統工具箱所提供一種用於分析模型的工具——LTI Viewer，具有圖形化使用界面，方便於線性非時變系統的分析工具。
第14章說明控制系統工具箱所提供一種用於設計控制器或補償器的工具——SISO Design Tool，同樣具有圖形化使用界面，方便簡化設計工作。
MATLAB/SIMULINK在專科以上學校電機、電子、機械、航空、醫學工程等工程學方面，都有很不錯的套用。
范 例 說 明
本書範例可執行於MATLAB 4.x、5.x、6.x/Simulink 1.2c、2.x、3.x、4.x上，程式內容請參見書中相關介紹，並按下列步驟進行：
1. 登錄查找本書的相關連結，下載範例程式。
2. 在計算機硬碟上創建一個目錄，用來存放範例程式。例如創建的目錄為c:\matexamp，則鍵盤輸入C:\md matexamp。
對於MATLAB Ver. 4.2/Simulink 1.2c系統，則執行以下操作：
3. 將範例程式中的startup4.m複製到MATLAB目錄下。
4. 將c:\matlab目錄下的startup4.m更名為startup.m。
對於MATLAB Ver. 5.x/Simulink 2.x系統，則執行以下操作：
5. 將範例程式中的startup5.m複製到MATLAB\toolbox\local目錄下。
6. 將c:\matlab\toolbox\local目錄下的startup5.m更名為startup.m。
7. 將範例程式中所有.m程式(startup4.m、startup5.m除外)複製到硬碟的matexamp目錄下。
8. 重新啟動MATLAB，便可在MATLAB命令視窗(Command Window)下執行範例程式。
對於MATLAB Ver. 6.x/Simulink 4.x系統，則執行以下操作：
9. 直接將所有的範例程式(.m、.mdl)複製到MATLAB安裝目錄\work下，即可在MATLAB命令視窗執行範例程式。
由於筆者所學有限，書中難免會有一些錯誤及不夠完善之處，請讀者不吝批評指正。
本書包含兩部分內容，第1部分說明SIMULINK的用法，第2部分則使用MATLAB/SIMULINK闡述控制系統中的一些基本原理，如時域回響分析法、頻域回響分析法、根軌跡法、狀態空間設計法及離散控制系統等。筆者並非數學專家，所學有限，故本書不以嚴謹的控制理論為基礎，而著重於套用MATLAB/SIMULINK來解決控制工程問題。讀者若能從本書中獲得一些知識，就是筆者最大的願望。
本書分為兩大部分共14章，具體如下：
第1章說明MATLAB/SIMULINK的簡要功能，並說明其在控制系統分析仿真上的方便性，並介紹MATLAB的基本使用法，作為全書學習的基礎。
第1部分為SIMULINK篇，包括第2～6章。
第2章說明SIMULINK快速使用法，目的是讓讀者研讀完此章後，就能對SIMULINK立即上手、使用。列舉3個簡單模型作為範例，介紹SIMULINK的使用手法。
第3章進一步說明使用SIMULINK建構模型的一些基本方法。
第4章說明在SIMULINK環境中仿真及仿真結果的分析。討論設定仿真參數值以及如何從SIMULINK選單或MATLAB命令視窗中，開始仿真的執行，並且討論不同疊代演算法。以及討論SIMULINK所提供線性化以及平衡點相關的工具指令。
第5章說明如何使用SIMULINK提供的Masking功能，可以自定義模組(block)或子系統(subsystem)，也可以產生新的對話框和新的模組圖示(icon)。
第6章說明SIMULINK所提供模組庫(block library)的功能，並對內含的每一個模組都有功能及使用上的說明，有些還附有範例。本章對需要深入了解SIMULINK的讀者而言是重要的一章。
第2部分為控制系統篇，包括第7～14章。
第7章內容以不同的系統為例，說明如何在MATLAB/SIMULINK環境中，建構動態系統的數學模型。
第8章說明控制系統的時域回響，並介紹根軌跡分析法。
第9章說明頻率回響分析法，包含有波德圖、奈奎斯特穩定準則、相位邊限與增益邊限等相關論述。
第10章說明如何根據系統規格設計控制器(或稱補償器)，包含有PID控制器、相位滯後補償器，相位超前補償器和相位滯後-超前補償器等。
第11章說明狀態空間分析法，內容包含有極點安置設計、觀測器設計和線性二次最佳控制器設計等。
第12章簡要說明離散控制系統，內容包含有取樣頻率的選擇、時域分析法、頻域分析法。
第13章說明控制系統工具箱所提供一種用於分析模型的工具——LTI Viewer，具有圖形化使用界面，方便於線性非時變系統的分析工具。
第14章說明控制系統工具箱所提供一種用於設計控制器或補償器的工具——SISO Design Tool，同樣具有圖形化使用界面，方便簡化設計工作。
MATLAB/SIMULINK在專科以上學校電機、電子、機械、航空、醫學工程等工程學方面，都有很不錯的套用。
范 例 說 明
本書範例可執行於MATLAB 4.x、5.x、6.x/Simulink 1.2c、2.x、3.x、4.x上，程式內容請參見書中相關介紹，並按下列步驟進行：
1. 登錄查找本書的相關連結，下載範例程式。
2. 在計算機硬碟上創建一個目錄，用來存放範例程式。例如創建的目錄為c:\matexamp，則鍵盤輸入C:\md matexamp。
對於MATLAB Ver. 4.2/Simulink 1.2c系統，則執行以下操作：
3. 將範例程式中的startup4.m複製到MATLAB目錄下。
4. 將c:\matlab目錄下的startup4.m更名為startup.m。
對於MATLAB Ver. 5.x/Simulink 2.x系統，則執行以下操作：
5. 將範例程式中的startup5.m複製到MATLAB\toolbox\local目錄下。
6. 將c:\matlab\toolbox\local目錄下的startup5.m更名為startup.m。
7. 將範例程式中所有.m程式(startup4.m、startup5.m除外)複製到硬碟的matexamp目錄下。
8. 重新啟動MATLAB，便可在MATLAB命令視窗(Command Window)下執行範例程式。
對於MATLAB Ver. 6.x/Simulink 4.x系統，則執行以下操作：
9. 直接將所有的範例程式(.m、.mdl)複製到MATLAB安裝目錄\work下，即可在MATLAB命令視窗執行範例程式。
由於筆者所學有限，書中難免會有一些錯誤及不夠完善之處，請讀者不吝批評指正。
圖書目錄
第1章 概論 1
1.1 控制系統簡介 1
1.2 MATLAB/SIMULINK簡介 2
1.3 系統需求 5
1.4 MATLAB的基本使用方法 5
1.4.1 基本操作 5
1.4.2 多維數組 8
1.4.3 矩陣的運算 10
1.4.4 數組的運算 11
1.4.5 向量和矩陣的操作方法 15
1.4.6 矩陣函式 19
1.4.7 字元串 21
1.4.8 多項式運算 23
1.4.9 Script檔案與函式 25
1.4.10 程式控制流程 27
1.4.11 輸入與輸出 30
第1部分 SIMULINK
第2章 快速開始 33
2.1 如何開始 33
2.2 一個簡單的模型 34
2.3 快速上手 36
2.4 另一個簡單模型 37
2.5 PID控制器模型 41
第3章 建構模型 45
3.1 建構新模型 45
3.2 編輯已存在的模型 45
3.3 選擇對象 46
3.3.1 選擇單個對象 46
3.3.2 選擇多個對象 46
3.3.3 選擇模型內的所有對象 47
3.4 在不同視窗間複製或移動模組 47
3.5 在模型視窗中移動模組 48
3.6 在模型視窗中複製模組 48
3.7 設定模組的參數 48
3.8 刪除模組 48
3.9 改變模組的放置方向 49
3.10 改變模組圖示的形狀大小 49
3.11 修改模組的名稱 50
3.11.1 修改模組的名稱 50
3.11.2 改變模組名稱的位置 50
3.12 輸入值與參數值的標量
擴展(Scalar Expansion) 51
3.13 在模組間連線線段 51
3.14 刪除線段 53
3.15 移動線段 53
3.16 移動頂點 54
3.17 分割直線段 54
3.18 生成子系統(Subsystem) 55
第4章 仿真與分析 57
4.1 簡介 57
4.1.1 SIMULINK如何工作 57
4.1.2 代數迴路結構 58
4.2 仿真 58
4.2.1 從SIMULINK選單中
執行系統仿真 58
4.2.2 從命令視窗執行系統仿真 65
4.2.3 指定模組的初始值 65
4.2.4 觀察輸出軌跡 67
4.3 離散時間系統 69
4.3.1 多採樣率系統 70
4.3.2 不同採樣時間的顏色區別 71
4.4 線性化 72
4.5 平衡點的決定 74
第5章 自定義模組 75
5.1 簡介 75
5.2 Masking程式概述 75
5.3 生成一個Masked模組 76
5.4 另一個例子 83
5.5 S函式 86
5.6 一個完整的例子 89
第6章 模組解析 95
6.1 Sources模組庫 95
6.2 Sinks模組庫 113
6.3 Continuous模組庫 123
6.4 Discrete模組庫 133
6.5 Math模組庫 142
6.6 Functions & Tables模組庫 159
6.7 Nonlinear模組庫 171
6.8 Signals & Systems模組庫 184
6.9 Subsystems模組庫 204
第2部分 控制系統
第7章 動態系統模型的創建 208
7.1 引言 208
7.1.1 經典控制學的數學模型
表示法——傳遞函式 208
7.1.2 現代控制學的數學模型
表示法——動態方程式 209
7.1.3 數學模型轉換 211
7.2 機械系統 216
7.3 電路系統 226
7.4 電機械系統 227
第8章 時域回響分析法 233
8.1 引言 233
8.2 時域回響 233
8.2.1 瞬時回響的性能指針 234
8.2.2 二階系統 237
8.2.3 高階系統的近似簡化 242
8.3 根軌跡分析 244
第9章 頻域回響分析法 249
9.1 引言 249
9.2 波德圖 249
9.3 奈奎斯特圖 252
9.4 相對穩定性 259
9.5 標準二階系統頻率回響 262
9.6 尼可士圖 266
第10章 控制器設計 268
10.1 引言 268
10.2 PID控制器 268
10.3 PID控制器的積分終結 273
10.4 相位超前補償器 278
10.5 相位滯後補償器 285
10.6 相位滯後-超前補償器 291
第11章 狀態空間設計法 297
11.1 引言 297
11.2 可控性與可觀測性 297
11.2.1 可控性 297
11.2.2 可觀測性 298
11.3 極點放置設計 300
11.4 觀測器設計 304
11.5 線性二次最佳控制器設計 308
第12章 離散時間控制系統 313
12.1 引言 313
12.2 連續系統的離散化 313
12.3 時域分析 318
12.4 頻域分析 324
12.5 自動引導車系統 327
12.5.1 路徑追蹤調節器的設計 329
12.5.2 時變最佳控制 330
12.5.3 計算機仿真 332
12.5.4 仿真結果 334
第13章 LTI Viewer 337
13.1 簡介 337
13.2 直流伺服電機模型 337
13.3 顯示多個模型的回響圖形 343
13.4 多輸入多輸出模型回響 344
13.5 Simulink LTI Viewer 345
第14章 SISO Design Tool 348
14.1 簡介 348
14.2 直流伺服電機模型 348
14.3 增加積分器 352
14.4 增加超前(領先)網路 353
14.5 凹陷濾波器 356
1.1 控制系統簡介 1
1.2 MATLAB/SIMULINK簡介 2
1.3 系統需求 5
1.4 MATLAB的基本使用方法 5
1.4.1 基本操作 5
1.4.2 多維數組 8
1.4.3 矩陣的運算 10
1.4.4 數組的運算 11
1.4.5 向量和矩陣的操作方法 15
1.4.6 矩陣函式 19
1.4.7 字元串 21
1.4.8 多項式運算 23
1.4.9 Script檔案與函式 25
1.4.10 程式控制流程 27
1.4.11 輸入與輸出 30
第1部分 SIMULINK
第2章 快速開始 33
2.1 如何開始 33
2.2 一個簡單的模型 34
2.3 快速上手 36
2.4 另一個簡單模型 37
2.5 PID控制器模型 41
第3章 建構模型 45
3.1 建構新模型 45
3.2 編輯已存在的模型 45
3.3 選擇對象 46
3.3.1 選擇單個對象 46
3.3.2 選擇多個對象 46
3.3.3 選擇模型內的所有對象 47
3.4 在不同視窗間複製或移動模組 47
3.5 在模型視窗中移動模組 48
3.6 在模型視窗中複製模組 48
3.7 設定模組的參數 48
3.8 刪除模組 48
3.9 改變模組的放置方向 49
3.10 改變模組圖示的形狀大小 49
3.11 修改模組的名稱 50
3.11.1 修改模組的名稱 50
3.11.2 改變模組名稱的位置 50
3.12 輸入值與參數值的標量
擴展(Scalar Expansion) 51
3.13 在模組間連線線段 51
3.14 刪除線段 53
3.15 移動線段 53
3.16 移動頂點 54
3.17 分割直線段 54
3.18 生成子系統(Subsystem) 55
第4章 仿真與分析 57
4.1 簡介 57
4.1.1 SIMULINK如何工作 57
4.1.2 代數迴路結構 58
4.2 仿真 58
4.2.1 從SIMULINK選單中
執行系統仿真 58
4.2.2 從命令視窗執行系統仿真 65
4.2.3 指定模組的初始值 65
4.2.4 觀察輸出軌跡 67
4.3 離散時間系統 69
4.3.1 多採樣率系統 70
4.3.2 不同採樣時間的顏色區別 71
4.4 線性化 72
4.5 平衡點的決定 74
第5章 自定義模組 75
5.1 簡介 75
5.2 Masking程式概述 75
5.3 生成一個Masked模組 76
5.4 另一個例子 83
5.5 S函式 86
5.6 一個完整的例子 89
第6章 模組解析 95
6.1 Sources模組庫 95
6.2 Sinks模組庫 113
6.3 Continuous模組庫 123
6.4 Discrete模組庫 133
6.5 Math模組庫 142
6.6 Functions & Tables模組庫 159
6.7 Nonlinear模組庫 171
6.8 Signals & Systems模組庫 184
6.9 Subsystems模組庫 204
第2部分 控制系統
第7章 動態系統模型的創建 208
7.1 引言 208
7.1.1 經典控制學的數學模型
表示法——傳遞函式 208
7.1.2 現代控制學的數學模型
表示法——動態方程式 209
7.1.3 數學模型轉換 211
7.2 機械系統 216
7.3 電路系統 226
7.4 電機械系統 227
第8章 時域回響分析法 233
8.1 引言 233
8.2 時域回響 233
8.2.1 瞬時回響的性能指針 234
8.2.2 二階系統 237
8.2.3 高階系統的近似簡化 242
8.3 根軌跡分析 244
第9章 頻域回響分析法 249
9.1 引言 249
9.2 波德圖 249
9.3 奈奎斯特圖 252
9.4 相對穩定性 259
9.5 標準二階系統頻率回響 262
9.6 尼可士圖 266
第10章 控制器設計 268
10.1 引言 268
10.2 PID控制器 268
10.3 PID控制器的積分終結 273
10.4 相位超前補償器 278
10.5 相位滯後補償器 285
10.6 相位滯後-超前補償器 291
第11章 狀態空間設計法 297
11.1 引言 297
11.2 可控性與可觀測性 297
11.2.1 可控性 297
11.2.2 可觀測性 298
11.3 極點放置設計 300
11.4 觀測器設計 304
11.5 線性二次最佳控制器設計 308
第12章 離散時間控制系統 313
12.1 引言 313
12.2 連續系統的離散化 313
12.3 時域分析 318
12.4 頻域分析 324
12.5 自動引導車系統 327
12.5.1 路徑追蹤調節器的設計 329
12.5.2 時變最佳控制 330
12.5.3 計算機仿真 332
12.5.4 仿真結果 334
第13章 LTI Viewer 337
13.1 簡介 337
13.2 直流伺服電機模型 337
13.3 顯示多個模型的回響圖形 343
13.4 多輸入多輸出模型回響 344
13.5 Simulink LTI Viewer 345
第14章 SISO Design Tool 348
14.1 簡介 348
14.2 直流伺服電機模型 348
14.3 增加積分器 352
14.4 增加超前(領先)網路 353
14.5 凹陷濾波器 356
