配套资源
第 1 章 MATLAB基础........................................................................................................................................................1
1.1 MATLAB 概述...............................................................................................................................................................................1
1.1.1 MATLAB 发展历程...........................................................................................................................................................1
1.1.2 MATLAB 系统构成...........................................................................................................................................................3
1.1.3 MATLAB 常用工具箱.......................................................................................................................................................3
1.2 MATLAB 桌面操作环境 ..............................................................................................................................................................4
1.2.1 MATLAB 启动和退出.......................................................................................................................................................4
1.2.2 MATLAB 主菜单及功能...................................................................................................................................................5
1.2.3 MATLAB 命令窗口...........................................................................................................................................................7
1.2.4 MATLAB 工作空间...........................................................................................................................................................8
1.2.5 MATLAB 文件管理...........................................................................................................................................................8
1.2.6 MATLAB 帮助使用...........................................................................................................................................................9
1.3 数据结构及其运算.......................................................................................................................................................................9
1.3.1 数据类型............................................................................................................................................................................9
1.3.2 数组..................................................................................................................................................................................10
1.3.3 数组操作..........................................................................................................................................................................15
1.3.4 数组运算与矩阵运算 .....................................................................................................................................................21
1.3.5 多项式..............................................................................................................................................................................23
1.3.6 关系运算、逻辑运算和运算符.....................................................................................................................................31
1.3.7 字符串数组 .....................................................................................................................................................................33
1.3.8 结构体数组 .....................................................................................................................................................................35
1.3.9 细胞数组..........................................................................................................................................................................38
1.4 数据的可视化.............................................................................................................................................................................43
1.4.1 数据可视化基础 .............................................................................................................................................................43
1.4.2 二维图形..........................................................................................................................................................................47
1.4.3 三维图形..........................................................................................................................................................................58
1.4.4 动态图的绘制 .................................................................................................................................................................69
1.5 M 文件和程序设计.....................................................................................................................................................................70
1.5.1 程序控制语句及其编程 .................................................................................................................................................71
1.5.2 命令文件和函数文件 .....................................................................................................................................................78
1.5.3 字符串的求值 .................................................................................................................................................................83
1.5.4 程序性能优化 .................................................................................................................................................................84
1.5.5 面向对象的编程方法 .....................................................................................................................................................85
VI MATLAB/Simulink 控制系统仿真
1.6 数值计算 .....................................................................................................................................................................................89
1.6.1 矩阵运算..........................................................................................................................................................................89
1.6.2 函数的数值解 .................................................................................................................................................................93
1.6.3 数据拟合..........................................................................................................................................................................95
1.6.4 插值和样条 .....................................................................................................................................................................97
1.6.5 常微分方程的数值解 .....................................................................................................................................................98
1.7 符号计算 ...................................................................................................................................................................................100
1.7.1 符号对象及其表达方式 ...............................................................................................................................................101
1.7.2 符号算术运算 ...............................................................................................................................................................103
1.7.3 独立变量与表达式化简 ...............................................................................................................................................104
1.7.4 符号微积分运算 ...........................................................................................................................................................108
1.7.5 符号积分变换 ...............................................................................................................................................................110
1.7.6 方程的解析解 ...............................................................................................................................................................112
习题 ....................................................................................................................................................................................................115
第 2 章 控制系统基本概念与仿真概述 ....................................................................................................................... 117
2.1 控制系统的基本概念...............................................................................................................................................................117
2.1.1 开环控制系统与闭环控制系统...................................................................................................................................117
2.1.2 闭环控制系统组成结构 ...............................................................................................................................................119
2.1.3 反馈控制系统性能指标 ...............................................................................................................................................120
2.2 自动控制系统分类...................................................................................................................................................................121
2.2.1 线性系统和非线性系统 ...............................................................................................................................................121
2.2.2 离散系统和连续系统 ...................................................................................................................................................122
2.2.3 恒值系统、随动系统和程序控制系统.......................................................................................................................122
2.3 控制系统仿真基本概念...........................................................................................................................................................122
2.3.1 计算机仿真基本概念 ...................................................................................................................................................122
2.3.2 控制系统仿真 ...............................................................................................................................................................123
2.3.3 控制系统计算机仿真基本过程...................................................................................................................................123
2.3.4 计算机仿真技术发展趋势 ...........................................................................................................................................126
2.4 MATLAB 中控制相关的工具箱 ..............................................................................................................................................127
习题 ....................................................................................................................................................................................................127
第 3 章 Simulink基础.................................................................................................................................................... 128
3.1 Simulink 简介............................................................................................................................................................................128
3.1.1 Simulink 的特点 ............................................................................................................................................................128
3.1.2 Simulink 的工作环境 ....................................................................................................................................................128
3.1.3 Simulink 仿真基本步骤 ................................................................................................................................................130
3.2 模型的创建...............................................................................................................................................................................130
3.2.1 模型概念和文件操作 ...................................................................................................................................................130
3.2.2 模块操作........................................................................................................................................................................131
3.2.3 信号线操作 ...................................................................................................................................................................133
目 录 VII
3.2.4 对模型的注释 ...............................................................................................................................................................134
3.2.5 常用的信源 ...................................................................................................................................................................134
3.2.6 常用的信宿 ...................................................................................................................................................................134
3.2.7 仿真的配置 ...................................................................................................................................................................135
3.2.8 启动仿真........................................................................................................................................................................136
3.3 子系统与封装...........................................................................................................................................................................137
3.4 Simulink 仿真示例....................................................................................................................................................................139
习题 ....................................................................................................................................................................................................142
第 4 章 M函数与 S 函数的 Simulink 仿真设计......................................................................................................... 143
4.1 M 函数的概念与仿真示例.......................................................................................................................................................143
4.2 S 函数的概念与仿真示例........................................................................................................................................................147
4.2.1 S 函数的概念与模板函数使用....................................................................................................................................148
4.2.2 S 函数的仿真示例 ........................................................................................................................................................152
习题 ....................................................................................................................................................................................................153
第 5 章 控制系统的数学建模与仿真 ........................................................................................................................... 154
5.1 时域建模方法及示例...............................................................................................................................................................155
5.2 频域建模方法及示例...............................................................................................................................................................163
5.3 常用模型的表示、转换及示例...............................................................................................................................................181
5.4 神经网络建模及示例...............................................................................................................................................................184
5.5 参数辨识的最小二乘法及示例...............................................................................................................................................193
5.6 闭环系统的参数辨识...............................................................................................................................................................197
习题 ....................................................................................................................................................................................................201
第 6 章 控制系统的时域分析与仿真 ........................................................................................................................... 202
6.1 时域分析方法...........................................................................................................................................................................202
6.2 时域分析仿真示例...................................................................................................................................................................206
6.3 基于状态空间模型的时域分析与仿真 ..................................................................................................................................213
习题 ....................................................................................................................................................................................................225
第 7 章 控制系统的根轨迹分析与仿真 ....................................................................................................................... 226
7.1 根轨迹分析方法.......................................................................................................................................................................226
7.2 根轨迹分析仿真示例...............................................................................................................................................................229
习题 ....................................................................................................................................................................................................240
第 8 章 控制系统的频域分析与仿真 ........................................................................................................................... 242
8.1 频域分析方法...........................................................................................................................................................................242
8.2 频域分析仿真示例...................................................................................................................................................................247
习题 ....................................................................................................................................................................................................258
第 9 章 控制系统的稳定性分析与仿真 ....................................................................................................................... 259
9.1 稳定性分析方法.......................................................................................................................................................................259
9.2 稳定性分析仿真示例...............................................................................................................................................................263
习题 ....................................................................................................................................................................................................271
VIII MATLAB/Simulink 控制系统仿真
第 10 章 离散控制系统的设计与仿真 ......................................................................................................................... 272
10.1 离散控制系统的设计.............................................................................................................................................................273
10.1.1 基于等效连续系统的数字控制器设计.....................................................................................................................273
10.1.2 基于等效离散系统的数字控制器 z 域直接设计.....................................................................................................276
10.1.3 数字 PID 控制器 .........................................................................................................................................................277
10.1.4 分数阶 PIλDμ 控制器...................................................................................................................................................278
10.1.5 数字滤波器设计 .........................................................................................................................................................279
10.2 离散控制系统的仿真示例.....................................................................................................................................................281
习题 ....................................................................................................................................................................................................315
第 11 章 非线性系统的初步分析与仿真 ..................................................................................................................... 317
11.1 典型的非线性特性.................................................................................................................................................................317
11.2 描述函数法.............................................................................................................................................................................320
11.3 相平面法 .................................................................................................................................................................................321
11.4 非线性系统的仿真示例.........................................................................................................................................................323
习题 ....................................................................................................................................................................................................328
第 12 章 线性系统的能控性和能观性分析与仿真..................................................................................................... 329
12.1 系统的能控性概念与仿真.....................................................................................................................................................329
12.2 系统的能观性概念与仿真.....................................................................................................................................................332
12.3 系统的能控性、能观性标准结构分解与仿真 ....................................................................................................................335
习题 ....................................................................................................................................................................................................341
第 13 章 状态反馈控制器设计与仿真 ......................................................................................................................... 342
13.1 状态反馈控制器设计方法.....................................................................................................................................................342
13.2 状态反馈控制器的仿真示例.................................................................................................................................................346
13.3 线性矩阵不等式的应用仿真示例 ........................................................................................................................................350
习题 ....................................................................................................................................................................................................352
第 14 章 状态观测器设计与仿真 ................................................................................................................................. 353
14.1 状态观测器设计方法.............................................................................................................................................................353
14.2 状态观测器的仿真示例.........................................................................................................................................................356
14.3 微分器的作用与仿真.............................................................................................................................................................359
14.4 维纳滤波的原理与仿真.........................................................................................................................................................361
14.5 卡尔曼滤波的原理与仿真.....................................................................................................................................................364
习题 ....................................................................................................................................................................................................373
第 15 章 最优控制器设计与仿真 ................................................................................................................................. 374
15.1 最优控制器设计方法.............................................................................................................................................................374
15.2 最优控制器的仿真示例.........................................................................................................................................................377
习题 ....................................................................................................................................................................................................384
第 16 章 控制理论中的智能优化算法与仿真............................................................................................................. 385
16.1 常见的智能优化算法.............................................................................................................................................................385
16.2 智能优化算法在 PID 控制器参数寻优中的应用仿真........................................................................................................388
目 录 IX
习题 ....................................................................................................................................................................................................401
第 17 章 先进控制器设计与仿真 ................................................................................................................................. 402
17.1 模糊控制器设计及仿真示例.................................................................................................................................................402
17.2 自适应控制器设计及仿真示例.............................................................................................................................................414
17.3 滑模变结构控制器设计及仿真示例 ....................................................................................................................................419
17.4 迭代学习控制器设计及仿真示例 ........................................................................................................................................424
17.5 反步控制器设计及仿真示例.................................................................................................................................................429
17.6 内模控制器设计及仿真示例.................................................................................................................................................432
17.7 自抗扰控制器设计及仿真示例.............................................................................................................................................435
17.8 鲁棒控制器设计及仿真示例.................................................................................................................................................442
17.9 预测控制器设计及仿真示例.................................................................................................................................................445
17.10 神经网络控制器设计及仿真示例 ......................................................................................................................................450
习题 ....................................................................................................................................................................................................456
参考文献 ............................................................................................................................................................................ 457
