Scilab語言與控制系統的仿真分析（簡體書）

Scilab非常適於科學計算、控制系統分析、數字信號處理以及數字圖像處理等領域,而且它是開源、免費的。本書介紹將Scilab語言應用於控制系統仿真與分析的方法,共分9章。第1章介紹Scilab軟件並引出控制系統的概念。第2、3章分別從Scilab使用和控制系統的角度介紹必要的數學基礎。第4章著重於傳遞函數的概念及其Scilab的仿真。第5、6章分別在時域和頻域對控制系統的響應、動態性能和穩定性進行仿真與分析。第7～9章是現代控制理論部分,分別介紹了狀態空間表達式的計算、狀態的能控性與能觀測性,以及狀態反饋下的極點配置和帶觀測器的狀態反饋系統的設計。
本書可供相關領域的工程技術人員、科研工作者參考和自學,也非常適於作高等理工科院校自動控制及相關專業本科生或研究生教材。

本系列圖書有如下特點：
1.普適性強。無論是否使用過Scilab，均能按照本書中所述步驟完成所需的應用。
2.可讀性強。圖文並茂，以實用性說明為主，在論述基本操作時配合實際應用介紹。
3.參考性高。在軟件的安裝、基本使用、高級進階和應用等方面詳細介紹。
4.操作性強。配有相應的實踐課程指南。
5.指導性高。本書總結了常見問題的解決方法。
6.站在讀者角度，教材內配有適量的練習題。

Scilab非常適於科學計算、控制系統分析、數字信號處理以及數字圖像處理等領域，而且它是免費的(free)、開源的(open source)。
作為免費並且開源的Scilab，在工具箱開發和參考書方面稍顯薄弱。這就需要我們這些熱愛開源的人們來做貢獻了。而本書就是基於這一信念，將筆者的使用經驗寫出來供大家學習和參考。
本書介紹的是Scilab語言應用於控制系統仿真與分析的方法，為此我們建議讀者在學習本書之前可以先做一些準備工作，那就是對控制系統要有一些了解，這樣能夠更好地使用本書。在書後提供了一些參考文獻，特別列出了筆者基於多年講授《自動控制原理》課程的經驗而撰寫的教材，這些參考文獻在本書的編寫過程中多有參考，建議您結合本書一起來閱讀學習。當然，本書也在講述比較重要和比較專業的內容時做了較為詳細的說明，因此您直接閱讀本書也沒有問題。
在掌握了Scilab的基本操作之後，您就可以利用書中的控制系統知識和例題進行仿真，這能夠極大地加深學習興趣和提高理論水平，也是理論聯繫實際的好途徑。相信學習完本書，您對控制系統和自動控制理論會有更加深刻的理解。
本書是計劃撰寫的Scilab語言仿真系列的第一本，後面還將繼續完成Scilab應用於數字信號處理、數字圖像處理等領域的仿真與分析的圖書。我們希望當您有了一定的經驗之後也可以分享給大家，例如開發出自己的Scilab控制系統工具箱並發布出來，那時候您就成為這一領域的高手了。
全書共分9章。第1章介紹Scilab軟件並引出控制系統的概念。第2章和第3章分別從Scilab的使用和控制系統的角度介紹必要的數學基礎。第4章著重於傳遞函數的概念及其Scilab的仿真。第5章和第6章分別從時域和頻域對控制系統的響應、動態性能和穩定性進行仿真與分析。第7～9章是現代控制理論部分，分別介紹了狀態空間表達式的計算、狀態的能控與能觀測性，以及狀態反饋下的極點配置和帶觀測器的狀態反饋系統的設計。
本書可供相關領域的工程技術人員、科研工作者參考和自學，也可作為高等理工科院校自動控制及相關專業本科生或研究生教材。
本書是在中國人工智能學會智能空天系統專業委員會和天津市機器人學會的指導下完成的。本書第1～3章由張添翼、蘆鵬、程宇輝編寫，第4～6章由張鴻濤、趙繼超、郝宏博編寫，第7～9章由戴鳳智、溫浩康、張倩倩編寫。全書由戴鳳智和張鴻濤最終整理，由劉巖、李家新、賈芃、王虎誠、戴晟完成文字校對和Scilab程序的審核。
為了便於讀者學習，本書提供書中例題主要程序的下載，手機掃描下方二維碼，復制鏈接，即可在計算機端下載。
由於編者水平有限，書中難免有疏漏或不妥之處，懇請讀者批評指正。

編者

第1章　Scilab 軟件與控制系統仿真1
　1.1　Scilab 軟件1
　1.2　控制系統簡介2
　1.3　反饋在控制系統中的重要性4
　1.4　經典控制理論和現代控制理論6
　1.5　Scilab在控制系統中的仿真應用7

第2章　Scilab的安裝與基本操作9
　2.1　Scilab的安裝10
　2.2　Scilab的啟動12
　2.3　基本運算和說明15
　2.4　特殊字符的使用18
　2.5　向量與矩陣20
　2.6　多項式的使用23
　2.7　使用Scilab程序編輯器24
　2.8　Scilab的繪圖功能25
　2.9　本章小結30

第3章　Scilab中控制系統的數學基礎32
　3.1　Scilab中復數的表示與計算32
　3.2　拉普拉斯變換與反變換34
3.2.1　拉普拉斯變換及其基本性質35
3.2.2　Scilab中的拉普拉斯反變換37
　3.3　Scilab中系統的特徵向量與特徵值43
3.3.1　控制系統的穩定性43
3.3.2　Scilab中的特徵向量與特徵值求解45
　3.4　本章小結48

第4章　Scilab中控制系統的傳遞函數50
　4.1　傳遞函數的基本概念50
　4.2　控制系統結構圖的三種基本連接方式51
　4.3　求取實際系統的傳遞函數57
4.3.1　電氣系統的傳遞函數57
4.3.2　機械系統的傳遞函數58
4.3.3　扭擺系統的傳遞函數59
　4.4　用Scilab處理典型環節的傳遞函數60
　4.5　本章小結69

第5章　Scilab中控制系統的時域分析71
　5.1　用Scilab分析控制系統的時域響應71
5.1.1　一階系統的響應72
5.1.2　二階系統的響應73
　5.2　用Scilab分析極點和零點對系統性能的影響79
5.2.1　極點對系統性能的影響80
5.2.2　零點對系統性能的影響86
　5.3　Scilab中的勞斯穩定判據88
5.3.1　勞斯穩定判據的步驟88
5.3.2　用Scilab進行勞斯穩定性分析91
　5.4　本章小結95

第6章　Scilab中控制系統的頻域分析97
　6.1　頻域分析基礎97
　6.2　用Scilab求正弦輸入的系統輸出99
　6.3　用Scilab繪製極坐標圖101
6.3.1　用Scilab繪製典型環節的極坐標圖101
6.3.2　用Scilab分析相位的超前與滯後103
　6.4　用Scilab繪製伯德圖106
6.4.1　用Scilab繪製典型環節的伯德圖106
6.4.2　用Scilab分析系統的相位特性107
　6.5　Scilab中的奈奎斯特穩定判據110
6.5.1　奈奎斯特穩定判據110
6.5.2　用Scilab繪製奈奎斯特曲線110
　6.6　用Scilab計算系統的穩定裕度116
　6.7　本章小結120

第7章　Scilab中控制系統的狀態空間表達式122
　7.1　現代控制理論基礎122
　7.2　用Scilab求解狀態空間方程126
　7.3　用Scilab求解系統狀態空間表達式的特徵標準型130
7.3.1　對角標準型133
7.3.2　約當（Jordan）標準型135
　7.4　本章小結137

第8章　Scilab中控制系統的能控性與能觀測性139
　8.1　系統的能控性判據140
8.1.1　Scilab中的能控性分析141
8.1.2　狀態能控性的標準型判據142
　8.2　系統的能觀測性判據146
8.2.1　Scilab中的能觀測性分析146
8.2.2　狀態能觀測性的標準型判據148
　8.3　本章小結152

第9章　Scilab中控制系統的狀態反饋與狀態觀測器154
　9.1　系統的狀態反饋和極點配置154
9.1.1　狀態反饋和極點配置155
9.1.2　利用Scilab完成狀態反饋下的極點配置156
　9.2　系統的狀態觀測器158
　9.3　利用Scilab完成帶觀測器的狀態反饋系統設計161
　9.4　本章小結165

參考文獻167