MATLAB自动控制系统设计

前言

第1章　MATLAB基础简介

1.1 MATLAB简介

1.1.1 MATLAB发展历程及其影响

1.1.2 MATLAB语言特性

1.1.3 MATLAB应用与组成部分

1.2 MATLAB的运行环境

1.2.1 工作界面

1.2.2 命令窗口

1.2.3 当前目录浏览器窗口

1.2.4 工作空间浏览器窗口

1.2.5 历史命令窗口

1.2.6 数组编辑器窗口

1.3 MATLAB的常量与变量

1.3.1 MATLAB的常量

1.3.2 MATLAB的变量

1.4 MATLAB数值运算

1.4.1 向量及运算

1.4.2 数组及运算

1.4.3 矩阵的函数运算

1.4.4 多项式及运算

1.5 MATLAB的程序设计

1.5.1 M文件

1.5.2 函数变量及变量作用域

1.5.3 子函数与局部函数

1.5.4 流程控制语句

1.6 符号运算

1.6.1 符号对象的创建和使用

1.6.2 符号表达式的操作

1.7 子MATLAB的数学表达式及其书写

1.7.1 MATLAB的数学表达式

1.7.2 MATLAB的数学表达式的书写

1.8 MATLAB的绘图功能

1.8.1 二维绘图

1.8.2 三维绘图

1.8.3 句柄图形

1.9 MATABL的其它常用数学方法

1.9.1 多项式拟合

1.9.2 非线性方程的求解与最优化

第2章 控制系统的基础介绍

2.1 自动控制系统的概念

2.1.1 开环闭环控制系统

2.1.2 闭环控制系统组成结构

2.1.3 反馈控制系统品质要求

2.2 自动控制的分类

2.2.1 线性系统和非线性系统

2.2.2 离散系统和连续系统

2.2.3 恒值系统和随机系统

2.3 经典控制理论

2.3.1 传递函数模型理论

2.3.2 零极点增益模型理论

2.3.3 控制系统的根轨迹分析

2.3.4 控制系统的时域分析

2.3.5 控件系统的频域分析

2.4 现代控制理论

2.4.1 状态空间模型

2.4.2 控制系统的可控性与可观性

2.4.3 最优控制理论

2.4.4 鲁棒控制理论

2.5 智能控制理论

2.5.1 智能控制理论概述

2.5.2 模糊控制

第3章 Simulink建模与仿真

3.1 典型控制系统的建模与仿真

3.1.1 控制系统的建模

3.1.2 仿真参数的设置

3.2 用Simulink建立系统模型

3.2.1 打开模型窗口的方法

3.2.2 模块的复制、移动与删除

3.2.3 模块的连接

3.2.4 模块名称的修改

3.2.5 系统结构图模型标题名称的标注与修改

3.2.6 创建模型的取消与复原操作

3.2.7 模型文件的保存与打开

3.2.8 Simulink建模注意事项

3.3 模块的合成、创建与封闭

3.3.1 模块的合成

3.3.2 创建新模块

3.3.3 模块的封装

3.4 Simulink仿真命令与回调方法

3.4.1 Simulink模型的构造与编辑命令

3.4.2 Simulink模型仿真命令

3.4.3 模型与模块的回调方法

3.5 S函数

3.5.1 S函数的工作方式

3.5.2 用MATLAB语言编写S函数

第4章 自动控制系统的模型建立与仿真

4.1 控制系统的数学模型

4.1.1 连续系统

4.1.2 离散系统

4.2 数学模型的建立

4.2.1 传递函数模型

4.2.2 状态空间模型

4.2.3 零极点增益模型

4.2.4 频率响应数据模型

4.3 模型对象间的转换

4.3.1 LTI对象转化为传递函数

4.3.2 将LTI对象转化为零极点模型

4.3.3 系统的状态方程实现

4.3.4 最小实现

4.4 数学模型的连接

4.4.1 优先原则

4.4.2 串并连接

4.4.3 反馈连接

4.4.4 复杂模型的连接

4.5 控制系统的模型属性

4.6 含有非线性环节的系统仿真

4.6.1 饱和非线性

4.6.2 死区非线性

4.6.3 间隔非线性

4.7 控制系统的离散化与连续化

4.7.1 连续系统模型的离散化

4.7.2 离散系统模型的连续化

4.8 离散系统的仿真

4.8.1 差分方程法

4.8.2 z变换法

第5章 根轨迹分析法

5.1 根轨迹的基本概念

5.2 根轨迹的指令方式

5.3 根轨迹设计工具

5.3.1 根轨迹图形设计工具的使用方法

5.3.2 根轨迹图形设计示例

5.4 利用根轨迹图对闭环系统性能分析

5.5 根轨迹分析

5.5.1 幅值条件和相角条件

5.5.2 绘制根轨迹法则

5.5.3 参数根轨迹的绘制分析

5.5.4 根轨迹的时滞系统分析

5.6 根轨迹对系统的暂态特性的分析

第6章 时域、频域分析法

6.1 控制系统的时域分析介绍

6.1.1 时域分析基本概念

6.1.2 时域分析方法

6.2 频域分析法的基础

6.2.1 有关频域分析的几个概念

6.2.2 控制系统的频域特性

6.3 频率响应分析的MATLAB实现

6.3.1 Bode图的绘制

6.3.2 Nyquist图的绘制

6.3.3 Nichols图的绘制

6.4 频率系统品质分析

6.4.1 开环频率特性与时域响应的关系

6.4.2 闭环频率特性与时域响应的关系

第7章 控制系统性质的分析

7.1 用根轨迹法判定系统稳定性

7.2 用频率法判定系统稳定性

7.2.1 用Bode图判定系统的稳定性

7.2.2 用Nyquist图判定系统的稳定性

7.3 控制系统稳态误差的计算

7.3.1 控制系统的静、动态误差系数

7.3.2 典型信号输入下的稳态误差

7.3.3 外信号输入的响应与稳态误差曲线

……

第8章 常用的控制系统设计

第9章 控制系统的校正

第10章 控制系统的典型应用

参考文献

随着社会生产力的不断发展和人们生活质量的不断提高，必将对控制理论、技术、系统与应用提出越来越多、越来越高的要求，因此有必要进一步加强、加深对这方面的研究，而MATLAB为此提供了可能，实践已表明它的确是一个功能强大、形象逼真、便于操作的软件工具。

MATLAB在我国的应用已有十多年的历史，而自动控制则是其最重要的应用领域之一。MATLAB支持控制系统设计过程的每个环节：系统建模、分析、仿真到控制器设计和实现，并可以用于不同领域的系统设计。

编者编写本书的意图是让读者可以更快更容易地利用MATLAB语言提供的编程环境和工具进行控制系统的分析和设计。书中列举的大量示例可以帮助读者理解和掌握使用MATLAB编程和设计控制系统的技巧。2100433B

《MATLAB自动控制系统设计》系统地介绍了MATLABR2009a的基本功能及控制系统的中应用。突出了新版本的新增功能和特性。在介绍过程中同时加入了具有一定难度的范例，来提高读者的控制系统工程设计能力。

全书共分10章。第1章介绍了MATLAB基础简介，第2章介绍了控制系统的基础；第3章介绍了Simulink建模与仿真；第4章介绍了自动控制系统的模型建立与仿真；第5章根轨迹分析法；第6章介绍了时频域分析法；第7章介绍了控制系统性质的分析；第8章介绍了常用的控制系统设计；第9章介绍了控制系统的校正；第10章介绍了控制系统的典型应用等内容。

作品目录

目 录

《电气自动化新技术丛书》序言

前言

第1章 MATLAB语言简介

1.1 屏幕帮助

1.2 文件管理

1.3 数据结构：矢量与矩阵

1.3.1矩阵的标号

1.3.2特殊矩阵

1.3.3字符串

1.4 数学运算与函数

1.4.1基本运算

1.4.2基本数学函数

1.4.3数据分析：列函数

1.5多项式.

1.6绘图命令

1.7例题

习题

附录 MATLAB（Version4.2c）常用函数命令一览表

第2章 MATLAB语言的编程方法

2.1关系与逻辑运算符

2.2循环与条件结构

2.3M文件：程序文件与函数文件

2.3.1程序文件

2.3.2函数

2.3.3建立M文件

2.4 字符串宏命令

2.5 常用编程命令

2.6 编程举例

习题

第3章 经典控制系统分析的常用命令

及SIMULINK仿真软件简介

3.1时间域命令

3.2频率域命令

3.3根轨迹法命令

3.4传递函数的常用命令

3.5控制系统分析例题

3.6SIMULINK简介

3.6.1建立模型的基本步骤

3.6.2SIMULINK命令

3.6.3例题

3.6.4SIMULINK的高级特征

习题

第4章 经典控制系统设计方法

4.1引言

4.1.1根轨迹法

4.1.2伯德图法

4.2系统补偿

4.3比例积分与微分（PID）控制

4.3.1Ziegler-Nichols方法

4.3.2解析方法

4.3.3PD控制

4.4超前补偿

4.4.1根轨迹设计方法

4.4.2根轨迹的几何方法

4.4.3根轨迹的解析方法

4.4.4超前补偿的伯德图设计方法

4.4.5伯德图设计的解析方法

4.4.6PD控制器与超前补偿器的比较

4.5滞后补偿

4.5.1根轨迹设计方法

4.5.2根轨迹的解析方法

4.5.3滞后补偿器的伯德图设计方法

4.5.4伯德图设计的解析方法

4.5.5PI控制器与滞后补偿器的比较

4.6一般补偿控制

4.7非最小相位系统的稳定裕量

习题

附录 程序清单

第5章 调节系统的状态空间设计方法

5.1概述

5.2极点配置方法

5.2.1传递函数分析

5.2.2理论分析

5.3用于状态空间设计的MATLAB命令

5.4观测器的设计

5.5降阶观测器的设计

5.6有关状态空间设计的讨论

习题

附录 程序清单

第6章 数字控制系统设计方法

⒍1概述

6.2差分方程

6.3采样信号的频谱

6.3.1采样定理

6.3.2信号的混叠

6.4变换

6.5离散状态空间模型

6.6数字控制系统仿真

6.6.1脉冲响应不变法

6.6.2带有零阶保持器的z变换法

6.6.3差分变换法

6.7用于离散系统的MATLAB命令

6.8偏差问题

6.8.1偏差的预补偿方法

6.8.2临界频率的预补偿方法

6.9数字补偿器

6.9.1PID控制

6.9.2PID控制器分析技术

6.9.3超前－滞后补偿

6.9.4ω变换

6.9.5补偿器的延迟

6.10离散状态空间设计简介

习题

附录

A程序清单

Bz变换表和ZOH表

第7章 离散系统极点配置和观测器设计方法

7.1概述

7.2极点配置方法

7.2.1说明

7.2.2无差拍响应

7.2.3无差拍控制的说明

7.3系统设计实例

7.4全阶状态观测器的设计

7.4.1全阶观测器的结构

7.4.2观测器增益矩阵Ke的方程

7.5最小阶状态观测器

习题

第8章 线性二次型最优控制设计方法

8.1引言

8.2 连续系统的二次型最优控制

8.2.1连续系统二次型调节器问题的求解

8.2.2连续系统二次型调节器问题的拓展

8.2.3MATLAB实现

8.3离散系统的二次型最优控制

8.3.1离散系统二次型最优控制问题的求解

8.3.2采用离散极小值原理的求解

8.3.3最小性能指标的计算

8.4离散系统的稳态二次型最优控制

8.4.1离散系统稳态二次型最优控制问题的求解

8.4.2MATLAB实现

8.5最少能量控制问题

8.5.1伪逆

8.5.2伪逆的MATLAB实现

8.5.3最少能量控制问题的讨论

8.6最优观测器设计

8.6.1公式与求解

8.6.2MATLAB实现

8.7线性二次型高斯问题

8.7.1LOG问题的求解

8.7.2MATLAB实现

习题

第9章 系统设计实例

9.1概述

9.2连续系统设计实例

9.3离散系统设计实例

9.3.1离散系统根轨迹的设计实例

9.3.2离散系统动态响应分析设计实例

9.3.3具有离散系统状态空间方程的系统动态响应设计实例

9.3.4离散控制系统的频率响应

9.3.5离散系统观测器设计实例

第10章 常用MATLAB工具箱简介

10.1控制系统工具箱

10.1.1模型建立

10.1.2模型转换

10.1.3模型降阶和最小实现

10.1.4模型实现

10.1.5模型性质

10.1.6时域响应

10.1.7频域响应

10.1.8根轨迹

10.1.9增益选择

10.1.10方程求解

10.1.11演示程序

10.2系统辨识工具箱

10.2.1参数估计

10.2.2非参数估计

10.2.3数据处理

10.2.4模型结构定义

10.2.5模型转换

10.2.6递推参数估计

10.2.7模型结构处理

10.2.8模型表达

10.2.9信息提取

10.2.10模型结构选择

10.2.11模型不确定性评估和模型校验

参考文献

2100433B

《MATLAB控制系统设计与仿真》分两篇，共10章。上篇为MATLAB程序设计基础，主要介绍MATLAB的基础知识、MATLAB数值运算、MATLAB符号运算、MATLAB程序设计。下篇为自动控制系统的MATLAB实现，主要介绍控制系统理论基础、仿真环境Simulink的使用基础、控制系统数学模型的MATLAB实现、控制系统分析、经典控制系统设计与仿真、现代控制系统设计与仿真。

《MATLAB控制系统设计与仿真》各章节之间既相互联系又相互独立，读者可根据自己的需要选择阅读。《MATLAB控制系统设计与仿真》可作为高校理工科本科生和研究生的教学参考用书，也可供自动控制、计算机仿真及其相关领域的工程技术和研究人员参考。

第1章　自动控制原理MATLAB实现概述

1.1　自动控制概述

1.1.1　自动控制的概念

1.1.2　自动控制原理的内容

1.1.3　自动控制系统的分类

1.2　反馈控制系统的基本概念

1.2.1　自动控制系统的基本控制方式

1.2.2　分析自动控制系统工作原理的方法

1.2.3　对控制系统的性能要求

1.3　自动控制原理的MATLAB

1.3.1　先进的软件系统MATLAB

1.3.2　自动控制原理的MATLAB实现的特点

习题

上篇　MATLAB计算及仿真基础

第2章　MATLAB7.1系统概述

2.1　MATLAB7.1安装与启动

2.1.1　Notebook的安装

2.1.2　MATLAB7.1的启动

2.1.3　Notebook的启动

2.2　MATLAB7.1的系统界面

2.2.1　MATLAB7.1系统的4个小窗口

2.2.2　MATLAB7.1的命令窗口

2.2.3　MATLAB7.1菜单项命令

2.2.4　MATLAB7.1工具栏按钮

2.2.5　Start开始按钮

2.3　MATLAB7.1的内容及其查找

2.3.1　MATLAB7.1的内容

2.3.2　MATLAB7.1内容的查找

2.3.3　MATLAB7.1的work子目录

2.4　MATLAB的文字处理工具Notebook

2.4.1　Notebook菜单命令简介

2.4.2　Notebook的使用

2.4.3　Notebook使用的几个问题

习题

第3章　MATLAB数值运算

3.1　MATLAB的数值运算基础

3.1.1　常量

3.1.2　变量

3.1.3　MATLAB运算符

3.2　MATLAB的数组、矩阵运算

3.2.1　数组、矩阵的概念

3.2.2　数组或矩阵元素的标识

3.2.3　数组与矩阵的输入

3.2.4　数组、矩阵的算术运算

3.2.5　向量及其运算

3.2.6　矩阵的特有运算

3.2.7　数组的关系运算

3.2.8　数组的逻辑运算

3.2.9　特殊字符数组——字符串

3.3.　MATLAB的数组函数与矩阵函数

3.3.1　数组函数

3.3.2　矩阵函数

3.4　多项式及其运算

3.4.1　多项式运算函数

3.4.2　多项式运算举例

3.5　MATLAB的数学表达式及其书写

3.5.1　MATLAB的数学表达式

3.5.2　MATLABR数学表达式的书写

习题

第4章　MATLAB符号运算基础

4.1　MATLAB符号运算概述

4.1.1　MATLAB符号运算入门

4.1.2　MATLAB符号运算的几个基本概念

4.2　MATLAB符号对象的基本运算与关系运算

4.3　MATLAB符号运算基本函数

4.3.1　符号变量代换及其函数subs（）

4.3.2　符号对象转换为数值对象的函数double（）、digits（）、vpa（）、numeric（）

4.3.3　MATLAB符号表达式的化简

4.4　MATLAB符号微积分运算

4.4.1　MATLAB符号极限运算

4.4.2　MATLAB的符号函数微分运算

4.4.3　MATLAB符号函数积分运算

4.4.4　符号求和函数与Taylor（泰勒）级数展开函数

4.5　MATLAB符号矩阵的几种特殊运算

4.5.1　矩阵的微分与积分

4.5.2　Jacobian矩阵

4.5.3　矩阵的Jordan标准形

4.6　MATLAB符号方程求解

4.6.1　MATLAB符号代数方程求解

4.6.2　MATLAB符号微分方程求解

4.7　复变函数计算的MATLAB实现

4.7.1　复数的概念

4.7.2　MATLAB关于复变量的函数命令

4.7.3　复数的生成与创建复矩阵

4.7.4　复数的几何表示

4.7.5　复数代数运算的MATAB实现

4.7.6　复数计算在自动控制系统频率特性计算中的应用

习题

第5章　MATLAB程序设计

第6章　MATLAB常用图形命令与符号函数图形命令

下篇　自动控制原理的MATLAB实现

第7章　MATLAB7.1的仿真集成环境

第8章　控制系统数学模型的MATLAB实现

第9章　连续系统时域分析的MATLAB实现

第10章　连续系统稳定性分析的MATLAB实现

第11章　连续系统稳态误差计算的MATLAB实现

第12章　连续系统根迹分析的MATLAB实现

第13章　连续系统频域分析的MATLAB实现

第14章　连续性控制系统校正的MATLAB实现

第15章　描述函数法分析非线性系统的MATLAB实现

第16章　离散系统分析的MATLAB实现

第17章　线性系统状态空间分析的MATLAB实现

第18章　线性二次型最优控制的MATLAB实现

附录A　作者编写的MATLAB函数

附录B　无源校正网络与有源校正网络

参考文献2100433B