控制系统分析、设计和应用 MATLAB语言的应用PDF电子书下载

1 MATLAB基础 1

1.1 概述 1

1.1.1 MATLAB第6版的主要特点 1

1.1.2 本书的主要特点 2

1.2 MATLAB的桌面操作环境 3

1.2.1 MATLAB的桌面窗口 3

1.2.2 工具栏和状态栏 8

1.2.3 属性设置 8

1.3 MATLAB的编辑和调试操作环境 8

1.3.1 主菜单栏及下拉式菜单的功能 8

1.3.2 工具栏、工具图标和状态栏 11

1.3.3 属性设置 11

1.4 MATLAB的图形操作环境 12

1.4.1 主菜单及下拉式菜单的功能 13

1.4.2 图形属性 15

1.5 数值计算和矩阵运算 18

1.5.1 MATLAB数值类型 18

1.5.2 符号运算 20

1.5.3 矩阵运算 22

1.5.3 关系运算和逻辑运算 28

1.6 程序、文件和函数 30

1.6.1 程序流的控制 30

1.6.2 文件 33

1.6.3 m文件剖析器 37

1.6.4 程序调试和诊断 38

习题 40

2.1.2 常用术语 42

2.1.1 控制系统组成示例 42

2.1 控制系统组成和常用术语 42

2.控制系统的描述 42

2.2 建立数学模型的方法 43

2.2.1 机理建模 43

2.2.2 根据输入输出数据建立数学模型 44

2.3 拉氏变换和控制系统描述 54

2.3.1 拉氏变换和拉氏反变换 54

2.3.2 线性时不变系统的描述 56

2.3.3 线性时不变系统的属性 60

2.4 模型转换 61

2.4.1 线性时不变模型的转换 62

2.4.2 连续模型和离散模型之间的置换 64

2.5.1 模型的串联连接 67

2.5 模型的连接 67

2.5.2 模型的并联连接 70

2.5.3 模型的反馈连接 71

2.5.4 模型的添加连接 72

2.5.5 复杂模型的连接 73

习题 76

3 时域响应分析 79

3.1 系统响应的输入信号 79

3.2 根据模型获得响应曲线 79

3.2.1 拉氏反变换法 79

3.2.2 部分分式展开法 82

3.2.3 直接计算法 84

3.3 响应曲线分析 87

3.3.1 阶跃响应的分析 88

3.3.2 脉冲响应的分析 92

3.3.3 用LTI Viewer获得响应曲线和性能指标 93

3.4 稳定性分析 95

3.4.1 直接计算特征根的方法 95

3.4.2 劳斯稳定性判据 96

3.5 误差分析 98

3.5.1 静态误差系数 98

3.5.2 动态误差系数 99

3.6 灵敏度的补灵敏度 100

3.7 离散线性时不变控制系统的分析 102

3.7.1 z变换和z反变换 102

3.7.2 离散控制系统的模型和响应分析 104

3.7.3 离散控制系统的稳定性分析 107

3.7.4 用LTI Viewer获得离散控制系统的响应曲线和性能指标 109

3.8.2 绘制相平面图 111

3.8 相平面分析 111

3.8.1 相平面的基本概念 111

3.8.3 相平面分析 113

3.8.4 非线性系统的相平面分析 115

习题 116

4 频率响应分析 119

4.1 频率响就与传递函数的关系 119

4.2 频率响应的图示法 119

4.2.1 奈魁斯特图 120

4.2.2 伯德图 123

4.2.3 尼柯尔斯图 125

4.3 频率响应分析 127

4.3.1 性能分析 127

4.3.2 稳定性分析 130

4.4 非最小相位系统的频率响应分析 136

4.5 逆奈魁斯特图和系统分析 138

4.5.1 单变量的逆奈魁斯特图 138

4.5.2 多变量频域中的对角优势矩阵 139

4.5.3 格希哥仁定理 140

4.6 离散控制系统的频域分析 141

4.7 衰减频率响应 142

4.7.1 衰减频率响应 142

4.7.2 衰减比判据 145

4.8 描述函数的分析 146

4.8.1 描述函数的基本概念 146

4.8.2 稳定性分析 147

习题 149

5.1.1 根轨迹与等增益轨迹 151

5 根轨迹分析 151

5.1 基本原理 151

5.1.2 零极点与过渡过程的关系 152

5.1.3 二阶系统极点位置与过渡过程的关系 156

5.2 绘制根轨迹 158

5.2.1 根轨迹的起点、终点和分支数 158

5.2.2 根轨迹的分离点或会合点 158

5.2.3 根轨迹的渐近线 159

5.2.4 根轨迹与虚轴的交点 160

5.2.5 确定根轨迹上点的增益 161

5.3 根轨迹分析 162

5.3.1 性能分析 162

5.3.2 稳定性分析 163

5.4.4 根轨迹与虚轴的交点 164

5.4.3 根轨迹的分离点或会合点 164

5.4.5 根轨迹与等衰减比线的交点 164

5.4.2 根轨迹的渐近线 164

5.4.1 根轨迹起点、终点和分支数 164

5.4 含时滞环节系统的根轨迹 164

5.4.6 绘制含时滞环节系统的根轨迹 165

5.5 绘制根轨迹的示例 166

5.6 在z平面的根轨迹 169

5.7 特殊情况的处理 170

5.7.1 正反馈控制系统的根轨迹 170

5.7.2 根轨迹族的绘制 171

习题 173

6 设计和校正方法 174

6.1 设计和分析方法 174

6.1.1 增加极点对控制系统的影响 175

6.1.3 开环对数幅频和相频特性与控制品质的关系 176

6.1.2 增加零点对控制系统的影响 176

6.2 超前校正 178

6.2.1 超前校正环节的特性 178

6.2.2 基于根轨迹的超前校正设计 180

6.2.3 基于频率响应的超前校正设计 182

6.3 滞后校正 184

6.3.1 滞后校正环节的特性 184

6.3.2 基于根轨迹的滞后校正设计 185

6.3.3 基于频率响应的滞后校正设计 187

6.4 超前滞后校正 189

6.4.1 超前滞后校正环节的特性 190

6.4.2 超前滞后校正环节的设计 190

6.5 其他校正方法 191

6.5.1 零极点对消 192

6.5.2 反馈校正 192

6.6 PID控制器设计 194

6.5.3 前馈校正 194

6.6.1 比例、积分和微分控制作用过程控制品质的影响 195

6.6.2 控制器参数整定 199

6.7 SISO系统的设计工具 205

6.7.1 系统设计工具sisotool的使用方法 205

6.7.2 系统设计工具的使用 214

习题 217

7 状态空间描述 219

7.1 状态空间的基本概念 219

7.1.1 状态、状态变量和状态空间 219

7.1.2 状态方程和输出方程 220

7.1.3 状态方程的求解、传递函数矩阵和状态转移矩阵的计算 221

7.1.4 状态空间系统的图形描述 223

7.2.1 稳定性 224

7.2 稳定性、可控性和可观性 224

7.2.2 可控性 228

7.2.3 可观测性 230

7.2.4 对偶性 232

7.2.5 相似变换和模态矩阵 233

7.2.6 系统状态的典型分解 234

7.3 状态空间模型的描述 236

7.3.1 约当规范型 236

7.3.2 控制器规范型 237

7.3.3 观测器规范型 238

7.3.4 系统的实现 238

习题 243

8 状态反馈控制和观测器设计 245

8.1 状态反馈 245

8.1.1 状态反馈和输出反馈 245

8.1.2 状态反馈的等效简化 248

8.1.3 状态反馈控制系统的设计 251

8.2 观测器设计 256

8.2.1 全阶观测器的设计 256

8.2.2 降阶观测器的设计 260

8.2.3 观测器在状态反馈控制系统中的应用 262

8.3 Kalman滤波器设计 265

8.3.1 Kalman滤波器的递推算法 265

8.3.2 使用Kalman滤波器时的注意事项 266

8.3.3 示例 267

8.4 解耦控制系统的设计 269

8.4.1 控制回路的关联 269

8.4.2 相对增益矩阵 271

8.4.3 关联系统的预对角化 273

8.4.4 状态反馈解耦 277

8.5.1 四种不同情况下的系统灵敏度 278

8.5 系统灵敏度分析 278

8.5.2 状态反馈系统的灵敏度分析 280

习题 282

9 动态最优控制 283

9.1 基本概念 283

9.1.1 目标函数 283

9.1.2 容许控制 284

9.1.3 最优控制问题的一般数学描述 284

9.1.4 最优控制与常规反馈控制的区别 284

9.1.5 动态最优控制的结构和分类 285

9.1.6 变分法的基本概念 286

9.2 最小值原理 287

9.2.1 最小值原理的导入 287

9.2.2 最小值原理 288

9.3.1 最短时间控制的特点 291

9.3 最短时间控制 291

9.3.2 用Simulink进行最短时间控制系统的分析 292

9.3.3 最短时间控制系统的设计 293

9.4 线性二次型最优控制 296

9.4.1 线性二次型最优控制的问题和解答 296

9.4.2 加权矩阵的设置 298

9.4.3 线性二次型最优控制系统的稳定性 302

9.5 线性二次型高斯问题 302

习题 304

10.Simulink及应用 305

10.1 Simulink的使用 305

10.1.1 Simulink基本操作 305

10.1.2 创建遮蔽子系统 319

10.1.3 条件执行子系统 323

10.1.4 子系统的mdl文件 327

10.2 采用MATLAB命令进行仿真和分析 330

10.2.1 仿真系统打开和关闭的MATLAB操作命令 330

10.2.2 设置仿真系统功能模块参数的操作命令 331

10.2.3 设置仿真系统解算器参数的操作命令 333

10.2.4 仿真系统运行结果的分析操作命令 335

10.2.5 仿真系统运行的操作命令 337

10.3 S函数的设计和应用 337

10.3.1 S函数的设计 337

10.3.2 S函数的应用 340

10.4 控制系统的仿真 341

10.4.1 控制系统仿真 341

10.4.2 控制系统仿真的动画效果 342

10.4.3 仪表显示和交互界面设计 344

习题 348