系統建模與仿真（雙語版）

內容簡介

本書適用於本科、研究生的""系統建模與仿真”雙語課程。通過有趣的實例，串接了整個MATLAB平台基礎運用，即基本運算操作、矩陣操作等；以簡單系統雅元凳肯的建模、複雜系統的建模、分析和設計為基礎，講述系統的建模理論和方法；以實悼店櫻際控制的穩定性實例仿真分析，講述系統的穩定分析方法；以實際系統的根軌跡分墊熱騙析設計，講述了系統的根軌跡設計方法。系統婆祝尋PID實例部分，講述了系統PID設計方法。全書由淺至深，覆蓋到本課程的主要相關知識。

圖書目錄

第1章 MATLAB基礎知識 1

1.1 MATLAB入門 2

1.1.1 輸入矩陣 2

1.1.2 求和、轉置和對角線 3

1.1.3 下標 4

1.1.4 冒號運算符 4

1.1.5 魔方陣函式 5

1.2 表達式 5

1.2.1 變數 5

1.2.2 數字 5

1.2.3 運算符 5

1.2.4 函式 6

1.3 矩陣操舉牛簽說作 7

1.3.1 生成盛頌充矩陣 7

1.3.2 M檔案 7

1.3.3 連線 7

1.3.4 刪除簽轎行和列 8

1.4 命令視窗與常用函式 8

1.4.1 格式命令與長命令行 8

1.4.2 隱藏輸出 9

1.4.3 命令行編輯 9

1.4.4 常用基本函式 10

1.4.5 常用進階函式 11

1.5 繪圖 13

1.5.1 創建一個圖 13

1.5.2 圖形視窗 14

1.5.3 添加圖形至現有的圖 15

1.5.4 繪製子圖 15

1.5.5 隱函式繪圖 16

1.5.6 軸的控制 16

1.5.7 軸標記和標題 17

1.5.8 plot3和mesh 18

1.5.9 圖像 19

本章小結 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

生詞註解 41

第2章 MATLAB編程 43

2.1 流控制 44

2.1.1 if語句 44

2.1.2 for和while語句 44

2.1.3 break語句 45

2.1.4 switch和case 46

2.2 腳本 46

2.3 函式 47

2.4 編程實例 51

本章小結 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

生詞註解 68

第3章控制系統的傳遞函式模型 69

3.1 線性定常系統簡介 70

3.2 線性定常系統的傳遞函式 70

3.2.1 簡介 70

3.2.2 定義 70

3.2.3 相關說明 71

3.3 基於MATLAB的傳遞函式描述 72

3.3.1 傳遞函式的降冪排列標準形式 72

3.3.2 傳遞函式的零極點模型 74

3.3.3 傳遞函式的部分分式展開 79

3.4 結構圖的連線與化簡 80

3.4.1 相關函式 81

3.4.2 連線與化簡實例 81

3.5 建模與仿真實例 83

3.5.1 RLC電路的傳遞函式建模 84

3.5.2 RLC電路的仿真分析 84

3.5.3 機械位移系統的傳遞函式建模 85

3.5.4 機械位移系統的仿真分析 86

本章小結 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

生詞註解 108

第4章狀態空間模型 109

4.1 狀態空間描述 110

4.1.1 現代控制理論 110

4.1.2 現代控制理論與傳統控制理論的比較 110

4.1.3 狀態 110

4.1.4 狀態變數 110

4.1.5 狀態向量 111

4.1.6 狀態空間 111

4.1.7 狀態空間方程 111

4.2 MATLAB中的狀態空間模型 112

4.2.1 狀態空間模型相關的MATLAB函式 112

4.2.2 運用函式建立狀態空間模型 113

4.3 模型間的轉換 116

4.3.1 實現模型之間轉換的MATLAB函式 116

4.3.2 模型之間的轉換實例 116

4.3.3 狀態空間模型的化簡 120

4.4 RLC電路及機械位移系統 125

4.4.1 RLC電路的狀態空間建模 125

4.4.2 RLC電路的仿真分析 126

4.4.3 機械位移系統的狀態空間建模 127

4.4.4 機械位移系統的仿真分析 128

本章小結 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

生詞註解 152

第5章雙容水箱液位系統建模 153

5.1 建模方法簡介 154

5.2 雙容水箱液位系統 154

5.3 假設 155

5.3.1 壓縮性 155

5.3.2 粘度 155

5.3.3 無旋流 155

5.3.4 穩定流動 155

5.4 運動微分方程 155

5.5 線性化和傳遞函式 157

5.5.1 線性化 157

5.5.2 傳遞函式模型 160

5.6 求解與仿真分析 161

5.6.1 解析解 161

5.6.2 仿真分析 162

本章小結 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

生詞註解 182

第6章控制系統的穩定性 183

6.1 穩定性的定義和判定 184

6.1.1 系統穩定性 184

6.1.2 MATLAB中穩定判斷的函式 185

6.1.3 穩定判斷實例 185

6.2 勞斯穩定判據 189

6.3 人控制的腳踏車 190

6.3.1 控制要求及參數分析 191

6.3.2 穩定性分析 192

6.3.3 擾動回響分析 195

6.3.4 速度影響分析 196

本章小結 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 Routh’s 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

生詞註解 215

第7章系統性能的實例分析 216

7.1 典型的輸入信號與時域的性能指標 217

7.1.1 典型的輸入信號 217

7.1.2 時域的性能指標 217

7.1.3 仿真分析函式 218

7.2 穩態誤差 219

7.3 飛機飛行期間的波動控制 220

7.3.1 FV控制系統分析 220

7.3.2 穩態誤差分析 222

7.3.3 暫態回響 223

7.3.4 擾動回響 227

本章小結 228

Chapter 7 Case Analysis of System Performance 230

7.1 Typical Input Signals and the Time-Domain Specifications 231

7.1.1 Typical Input Signals 231

7.1.2 The Time-Domain Specifications 231

7.1.3 Simulation Analysis Functions 233

7.2 Steady-State Error 233

7.3 Fluctuation Control During Airplane Flight 234

7.3.1 Analysis of FV Control Systems 235

7.3.2 Analysis of Steady-State Error 237

7.3.3 Transient Response 238

7.3.4 Disturbance Response 242

Summary 244

生詞註解 244

第8章主導極點法的PID控制器設計實例 245

8.1　PID控制器的概念 246

8.2　比例與積分控制的作用 246

8.2.1　比例控制下的誤差 247

8.2.2　消除積分控制中的穩態誤差 249

8.3　比例與微分的控制作用 250

8.3.1　比例控制的不穩定性 250

8.3.2　比例微分控制的穩定性 252

8.4　PID控制器 254

8.5　閉環主導極點 257

8.5.1　閉環主導極點概念 257

8.5.2　閉環主導極點的設定 257

8.6　下棋機器人 260

8.6.1　控制器選擇 261

8.6.2　控制器設計 261

8.6.3　系統仿真 264

本章小結 269

Chapter 8 Example-s of PID Controller Design by Dominant Poles 270

8.1　Concept of PID Controller 271

8.2　Proportional and Integral Control Action 271

8.2.1　Error Under Proportional Control 272

8.2.2　Eliminating Steady-State Error in Integral Control 274

8.3　Proportional and Integral Control Action 275

8.3.1　Instability of Proportional Control 276

8.3.2　Stability of Proportional and Differential Control 277

8.4 PID Controller 280

8.5 Dominant Closed-Loop Poles 283

8.5.1 Basic Concept 283

8.5.2 Setting of Dominant Closed-Loop Poles 284

8.6 Chess Robot 287

8.6.1 Controller Selection 288

8.6.2 Controller Design 288

8.6.3 System Simulation 292

Summary 297

生詞註解 298

第9章簡單系統的Simulink建模實例 299

9.1 Simulink軟體入門 300

9.1.1 啟動Simulink軟體 300

9.1.2 Simulink的用戶界面 300

9.1.3　Simulink模型視窗 302

9.2　建立簡單模型 302

9.2.1　創建一個新模型 303

9.2.2　添加模組到空白模型視窗 303

9.2.3　在模型視窗中移動模組 305

9.2.4　連線模型視窗中的模組 305

9.2.5　保存模型 307

9.3　RLC電路模型仿真 308

本章小結 311

Chapter 9　Simulink Modeling Examples for Simple Systems 312

9.1　Introduction to Simulink Software 313

9.1.1　Starting Simulink Software 313

9.1.2　Simulink User Interface 314

9.1.3　Simulink Model Window 315

9.2　Creating a Simple Model 316

9.2.1　Creating a New Model 316

9.2.2　Adding Blocks to Your Model 317

9.2.3 Moving Blocks in the Model Window 318

9.2.4 Connecting Blocks in the Model Window 319

9.2.5 Saving the Model 321

9.3 RLC Circuit Model Simulation 321

Summary 324

生詞註解 325

第10章　房屋加熱系統建模實例 326

10.1 創建和封裝子系統 327

10.1.1 創建子系統 327

10.1.2 封裝Subsystem 328

10.2 房屋加熱模型剖析 331

10.2.1 打開演示模型 331

10.2.2 剖析模型 331

10.2.3 子系統模型的使用 332

10.3　房屋熱力系統模型 334

10.3.1　概述 334

10.3.2　房屋加熱模型的構成 336

10.3.3　運行仿真並觀察結果 338

10.3.4　注釋 339

本章小結 339

Chapter 10　Modeling the House Heating System 340

10.1　Creating and Masking Subsystems 341

10.1.1　Creating Subsystems 341

10.1.2 Masking Subsystems 342

10.2 Anatomy of the House Heating Model 346

10.2.1 Opening the Demo Model 346

10.2.2 Anatomy of the Model 346

10.2.3 Using Subsystems 347

10.3 Thermal Model of a House 349

10.3.1 Introduction 349

10.3.2 The House Heating Model Components 349

10.3.3 Running the Simulation and Visualizing the Results 353

10.3.4 Remarks 353

Summary 354

生詞註解 354

系統建模與仿真（雙語版）

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