第 1 章 控制系统计算机辅助设计概述 1
1.1控制系统计算机辅助设计技术的发展综述 1
1.2 控制系统计算机辅助设计语言环境综述 2
1.3 仿真软件的发展概况6
1.4 MATLAB/Simulink 与 CACSD 工具箱 7
1.5 控制系统计算机辅助设计领域方法概述 9
1.6 本书的基本结构和内容 11
1.7 习 题 13
参考文献 14
第 2 章 MATLAB 语言程序设计基础 17
2.1 MATLAB 程序设计语言基础 18
2.1.1 MATLAB 语言的变量与常量 18
2.1.2 数据结构 19
2.1.3 MATLAB 的基本语句结构 20
2.1.4 冒号表达式与子矩阵提取 21
2.2 基本数学运算 22
2.2.1 矩阵的代数运算 22
2.2.2 矩阵的逻辑运算 23
2.2.3 矩阵的比较运算 23
2.2.4 解析结果的化简与变换 24
2.2.5 基本数论运算 25
2.3 MATLAB 语言的流程结构 26
2.3.1 循环结构 26
2.3.2 条件转移结构 28
2.3.3 开关结构 29
2.3.4 试探结构 30
2.4 函数编写与调试 30
2.4.1 MATLAB 语言函数的基本结构 31
2.4.2 可变输入输出个数的处理 34
2.4.3 匿名函数与 inline 函数 34
2.5 二维图形绘制 35
2.5.1 二维图形绘制基本语句 35
2.5.2 其他二维图形绘制语句 38
2.5.3 隐函数绘制及应用 39
2.5.4 图形修饰 40
2.6 三维图形表示 42
2.6.1 三维曲线绘制 42
2.6.2 三维曲面绘制 42
2.6.3 三维图形视角设置 45
2.7 MATLAB 图形用户界面设计技术 46
2.7.1 图形界面设计工具 Guide 47
2.7.2 句柄图形学及句柄对象属性 48
2.7.3 菜单系统设计 53
2.7.4 界面设计举例与技巧 53
2.7.5 工具栏设计 57
2.7.6 ActiveX 控件的应用简介? 60
2.8 本章要点简介? 61
2.9 习 题 61
参考文献 64
第 3 章 科学运算问题的 MATLAB 求解 65
3.1 线性代数问题的 MATLAB 求解 66
3.1.1 矩阵的基本分析 66
3.1.2 矩阵的分解 68
3.1.3 矩阵指数 exp(A)和指数函数 exp(At) 70
3.2 代数方程的 MATLAB 求解 70
3.2.1 线性方程求解问题及 MATLAB 实现 70
3.2.2 一般非线性方程的求解 73
3.2.3 非线性矩阵方程的 MATLAB 求解 75
3.3 常微分方程问题的 MATLAB 求解 78
3.3.1 一阶常微分方程组的数值解法 78
3.3.2 常微分方程的转换 80
3.3.3 微分方程数值解的验证 82
3.3.4 线性常微分方程的解析求解 83
3.4 最优化问题的 MATLAB 求解 84
3.4.1 无约束最优化问题求解 84
3.4.2 有约束最优化问题求解 85
3.4.3 最优曲线拟合方法 86
3.5 Laplace 与 z 变换问题的 MATLAB 求解 88
3.5.1 Laplace 变换 88
3.5.2 z 变换 89
3.6 本章要点简介90
3.7 习 题 91
参考文献 96
第 4 章 线性控制系统的数学模型 97
4.1 线性连续系统模型及 MATLAB 表示 98
4.1.1 线性系统的传递函数模型 98
4.1.2 线性系统的状态方程模型 100
4.1.3 带有内部延迟的状态方程模型 102
4.1.4 线性系统的零极点模型 102
4.1.5 多变量系统的传递函数矩阵模型 103
4.2 线性离散时间系统的数学模型 104
4.2.1 离散传递函数模型 104
4.2.2 离散状态方程模型105
4.3 系统模型的相互转换 106
4.3.1 连续模型和离散模型的相互转换106
4.3.2 系统传递函数的获取108
4.3.3 控制系统的状态方程实现 109
4.3.4 状态方程的最小实现 110
4.3.5 传递函数与符号表达式的相互转换 111
4.4 方框图描述系统的化简 112
4.4.1 控制系统的典型连接结构 112
4.4.2 节点移动时的等效变换 116
4.4.3 复杂系统模型的简化 117
4.4.4 方框图化简的代数方法 119
4.5 线性系统的模型降阶 121
4.5.1 Padé 降阶算法与 Routh 降阶算法 121
4.5.2 时间延迟模型的 Padé 近似 125
4.5.3 带有时间延迟系统的次最优降阶算法 127
4.5.4 状态方程模型的降阶算法 130
4.6 线性系统的模型辨识 133
4.6.1 离散系统的模型辨识 133
4.6.2 辨识模型的阶次选择137
4.6.3 离散系统辨识信号的生成 139
4.6.4 连续系统的辨识 141
4.6.5 多变量离散系统的辨识 142
4.6.6 离散系统的递推最小二乘辨识143
4.7 本章要点小结 144
4.8 习 题 145
参考文献 149
第 5 章 线性控制系统的计算机辅助分析 151
5.1 线性系统性质分析 152
5.1.1 线性系统稳定性的直接判定 152
5.1.2 线性反馈系统的内部稳定性分析 155
5.1.3 线性系统的线性相似变换 156
5.1.4 线性系统的可控性分析 157
5.1.5 线性系统的可观测性分析 159
5.1.6 Kalman 规范分解 160
5.1.7 系统状态方程标准型的 MATLAB 求解 160
5.1.8 系统的范数测度及求解 164
5.2 线性系统时域响应解析解法 165
5.2.1 直接积分解析解方法 165
5.2.2 基于增广矩阵的解析解方法 165
5.2.3 基于 Laplace 变换、z 变换的解析解方法 167
5.2.4 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标 170
5.3 线性系统的数字仿真分析 172
5.3.1 线性系统的阶跃响应与脉冲响应 172
5.3.2 任意输入下系统的响应 176
5.3.3 非零初始状态下系统的时域响应 177
5.4 根轨迹分析 178
5.5 线性系统频域分析 183
5.5.1 单变量系统的频域分析 184
5.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性 188
5.5.3 系统的幅值裕度和相位裕度 190
5.6 多变量系统的频域分析 191
5.6.1 多变量系统频域分析概述 191
5.6.2 多变量系统对角优势分析 193
5.6.3 多变量系统的奇异值曲线绘制 197
5.7 本章要点小结 197
5.8 习 题 199
参考文献 203
第 6 章 非线性控制系统的建模与仿真 205
6.1 Simulink 建模的基础知识 206
6.1.1 Simulink 简介 206
6.1.2 Simulink 下常用模块简介 207
6.1.3 Simulink 下其他工具箱的模块组 212
6.2 Simulink 建模与仿真 213
6.2.1 Simulink 建模方法简介 213
6.2.2 仿真算法与控制参数选择 217
6.2.3 Simulink 仿真举例 219
6.3 控制系统的 Simulink 建模与仿真实例 221
6.4 非线性系统分析与仿真 232
6.4.1 分段线性的非线性环节 232
6.4.2 非线性系统的极限环研究 235
6.4.3 非线性系统的线性化 236
6.5 子系统与模块封装技术 240
6.5.1 子系统概念及构成方法 240
6.5.2 模块封装方法 241
6.5.3 模块集构造 246
6.6 M-函数、S-函数编写及其应用 246
6.6.1 M-函数模块的基本结构 247
6.6.2 S-函数的基本结构 247
6.6.3 用 MATLAB 编写 S-函数举例 248
6.6.4 S-函数的封装 253
6.7 本章要点小结 254
6.8 习 题 255
参考文献 258
第 7 章 控制系统的经典设计方法 259
7.1 超前滞后校正器设计方法 260
7.1.1 串联超前滞后校正器 260
7.1.2 超前滞后校正器的设计方法 262
7.2 基于状态空间模型的控制器设计方法 266
7.2.1 状态反馈控制 266
7.2.2 线性二次型指标最优调节器 267
7.2.3 极点配置控制器设计 269
7.2.4 观测器设计及基于观测器的调节器设计 271
7.3 最优控制器设计 276
7.3.1 最优控制的概念 276
7.3.2 基于 MATLAB/Simulink 的最优控制程序及其应用 279
7.3.3 最优控制程序的其他应用 283
7.4 控制系统工具箱中的设计界面与应用 284
7.4.1 MATLAB 控制器设计界面简介 284
7.4.2 单变量控制器参数自动整定举例 287
7.5 多变量系统的频域设计方法 290
7.5.1 对角占优系统与伪对角化 291
7.5.2 多变量系统的参数最优化设计 295
7.5.3 基于 OCD 的多变量系统最优设计 301
7.6 多变量系统的解耦控制 303
7.6.1 状态反馈解耦控制 303
7.6.2 状态反馈的极点配置解耦系统 305
7.7 本章要点小结 308
7.8 习 题 308
参考文献 311
第 8 章 PID 控制器的参数整定 313
8.1 PID 控制器设计概述 314
8.1.1 连续 PID 控制器 314
8.1.2 离散 PID 控制器 315
8.1.3 PID 控制器的变形 316
8.2 过程受控对象的一阶延迟模型近似 318
8.2.1 由响应曲线识别一阶模型 318
8.2.2 基于频域响应的近似方法 320
8.2.3 基于传递函数的辨识方法 320
8.2.4 最优降阶方法 321
8.3 FOPDT 模型的 PID 控制器参数整定 322
8.3.1 Ziegler-Nichols 经验公式 322
8.3.2 改进的 Ziegler-Nichols 算法 324
8.3.3 改进 PID 控制结构与算法 326
8.3.4 Chien-Hrones-Reswick 参数整定算法 329
8.3.5 最优 PID 整定经验公式 330
8.3.6 基于 FOPDT 的 PID 控制器设计程序 332
8.4 其他受控对象模型的控制器参数整定 334
8.4.1 IPD 模型的 PD 和 PID 参数整定 335
8.4.2 FOLIPD 模型的 PD 和 PID 参数整定 335
8.4.3 不稳定 FOPDT 模型的 PID 参数整定 337
8.4.4 交互式 PID 类控制器整定程序界面 337
8.5 OptimPID――最优PID控制器设计程序 345
8.6 本章要点小结 349
8.7 习 题 350
参考文献 351
第 9 章 鲁棒控制与鲁棒控制器设计 353
9.1 线性二次型 Gauss 控制 354
9.1.1 线性二次型 Gauss 问题 354
9.1.2 使用 MATLAB 求解 LQG 问题 354
9.1.3 带有回路传输恢复的 LQG 控制 358
9.2 鲁棒控制问题的一般描述 362
9.2.1 小增益定理 362
9.2.2 鲁棒控制器的结构 362
9.2.3 回路成型的一般描述 365
9.2.4 鲁棒控制系统的 MATLAB 描述 366
9.3 基于范数的鲁棒控制器设计 369
9.3.1 H∞、H2鲁棒控制器设计方法 369
9.3.2 其他鲁棒控制器设计函数 374
9.4 线性矩阵不等式理论与求解 379
9.4.1 线性矩阵不等式的一般描述 379
9.4.2 线性矩阵不等式问题的 MATLAB 求解 382
9.4.3 基于 YALMIP 工具箱的最优化求解方法 385
9.4.4 多线性模型的同时镇定问题 386
9.4.5 基于 LMI 的鲁棒最优控制器设计 387
9.5 定量反馈理论与设计方法 389
9.5.1 定量反馈理论概述 389
9.5.2 单变量系统的 QFT 设计方法 389
9.6 本章要点简介 396
9.7 习 题 396
参考文献 397
第 10 章 自适应与智能控制系统设计 399
10.1 自适应控制系统设计 400
10.1.1 模型参考自适应系统的设计与仿真 400
10.1.2 自校正控制器设计与仿真 402
10.1.3 广义预测控制系统与仿真 407
10.2 模糊控制及模糊控制器设计 410
10.2.1 模糊逻辑与模糊推理 410
10.2.2 模糊 PD 控制器设计 411
10.2.3 模糊 PID 控制器设计 415
10.3 神经网络及神经网络控制器设计 420
10.3.1 神经网络简介 420
10.3.2 基于单个神经元的 PID 控制器设计 421
10.3.3 基于反向传播神经网络的 PID 控制器 423
10.3.4 基于径向基函数的神经网络的 PID 控制器 426
10.4 全局最优控制器设计 428
10.4.1 遗传算法简介 429
10.4.2 基于遗传算法的最优化问题求解 430
10.4.3 粒子群算法与最优化问题求解 433
10.4.4 基于全局优化算法的最优控制问题求解 434
10.5 本章要点简介 437
10.6 习 题 438
参考文献 440
第 11 章 分数阶系统的分析与设计 443
11.1 分数阶微积分定义与数值计算 444
11.1.1 分数阶微积分的定义 444
11.1.2 函数分数阶微积分的数值计算 445
11.1.3 分数阶微积分的性质 447
11.1.4 Mittag-Leffler 函数及其计算 447
11.2 分数阶微分方程的数值与解析解法 449
11.2.1 分数阶线性微分方程的数值解法 449
11.2.2 一些重要的 Laplace 变换公式 451
11.2.3 成比例分数阶线性微分方程的解析解法 452
11.2.4 一般分数阶微分方程的解析解法 453
11.3 分数阶传递函数模型与分析 453
11.3.1 FOTF――分数阶传递函数类的创建 454
11.3.2 FOTF 对象的连接 455
11.3.3 FOTF 对象的性质分析 457
11.3.4 FOTF 对象的频域分析 460
11.3.5 FOTF 对象的时域分析 461
11.3.6 成比例阶系统的根轨迹分析 462
11.3.7 成比例阶模型的分数阶状态方程表示 463
11.4 分数阶系统的模型近似与降阶 463
11.4.1 分数阶微分算子的 Oustaloup 近似与改进 463
11.4.2 分数阶控制器的整数阶近似 465
11.4.3 分数阶模型的最优整数阶降阶 467
11.5 分数阶非线性系统的框图仿真方法 468
11.6 最优分数阶 PID 控制器设计 470
11.6.1 PIλDμ控制器的最优设计方法 470
11.6.2 最优分数阶 PID 控制器设计用户界面 474
11.7 本章要点简介 475
11.8 习 题 476
参考文献 477
第 12 章 半实物仿真与实时控制 479
12.1 dSPACE 简介与常用模块 480
12.2 Quanser 简介与常用模块 481
12.2.1 Quanser 常用模块简介 481
12.2.2 Quanser 旋转运动控制系列实验受控对象简介 483
12.3 半实物仿真与实时控制实例 484
12.3.1 受控对象的数学描述与仿真研究 484
12.3.2 Quanser 实时控制实验 486
12.3.3 dSPACE 实时控制实验 488
12.4 本章要点简介 489
12.5 习 题 490
参考文献 490
附录 A 常用受控对象的实际系统模型 491
A.1 著名的基准测试问题 491
A.1.1 F-14 战斗机中的控制问题 491
A.1.2 ACC 基准测试模型 492
A.2 其他工程控制问题的数学模型 493
A.2.1 伺服控制系统模型 493
A.2.2 倒立摆问题的数学模型 494
A.2.3 AIRC 模型 495
A.3 思考与练习 495
参考文献 496
函数名索引 497
专业术语索引 503
