第1章 MATLAB基础简介 1
1.1 MATLAB简介 1
1.1.1 MATLAB的发展历程及其影响 1
1.1.2 MATLAB的语言特性 2
1.1.3 MATLAB的应用与组成部分 2
1.2 MATLAB的运行环境 3
1.2.1 工作界面 3
1.2.2 命令窗口 5
1.2.3 当前目录浏览器窗口 8
1.2.4 工作空间浏览器窗口 9
1.2.5 历史命令窗口 10
1.2.6 数组编辑器窗口 11
1.3 MATLAB的常量与变量 11
1.3.1 MATLAB的常量 12
1.3.2 MATLAB的变量 13
1.4 MATLAB的数值运算 13
1.4.1 向量及运算 13
1.4.2 数组及运算 15
1.4.3 矩阵的函数运算 18
1.4.4 多项式及运算 21
1.5 MATLAB的程序设计 25
1.5.1 M文件 25
1.5.2 函数变量及变量作用域 28
1.5.3 子函数与局部函数 29
1.5.4 流程控制语句 29
1.6 MATLAB的符号运算 32
1.6.1 符号对象的创建和使用 32
1.6.2 符号表达式的操作 33
1.7 子MATLAB的数学表达式及其书写 36
1.7.1 MATLAB的数学表达式 36
1.7.2 MATLAB的数学表达式的书写 36
1.8 MATLAB的绘图功能 37
1.8.1 二维绘图 37
1.8.2 三维绘图 40
1.8.3 句柄图形 42
1.9 MATABL的其他常用数学方法 45
1.9.1 多项式拟合 45
1.9.2 非线性方程的求解与最优化 45
第2章 控制系统的基础 48
2.1 自动控制系统的概述 48
2.1.1 开环、闭环控制系统 48
2.1.2 闭环控制系统的组成结构 49
2.1.3 反馈控制系统的品质要求 50
2.2 自动控制的分类 51
2.2.1 线性系统和非线性系统 51
2.2.2 离散系统和连续系统 52
2.2.3 恒值系统和随动系统 52
2.3 经典控制理论 53
2.3.1 传递函数模型理论 53
2.3.2 零极点增益模型理论 57
2.3.3 控制系统的根轨迹分析 57
2.3.4 控制系统的时域分析 58
2.3.5 控制系统的频域分析 59
2.4 现代控制理论 61
2.4.1 状态空间模型 61
2.4.2 控制系统的可控性与可观性 61
2.4.3 最优控制理论 62
2.4.4 鲁棒控制理论 64
2.5 智能控制理论 67
2.5.1 智能控制理论的概述 67
2.5.2 模糊控制 67
第3章 Simulink建模与仿真 70
3.1 典型控制系统的建模与仿真 70
3.1.1 控制系统的建模 70
3.1.2 仿真参数的设置 76
3.2 用Simulink建立系统模型 82
3.2.1 打开模型窗口的方法 82
3.2.2 模块的复制、移动与删除 83
3.2.3 模块的连接 84
3.2.4 模块名称的修改 85
3.2.5 系统结构图模型标题名称的标注与修改 86
3.2.6 创建模型的取消与复原操作 86
3.2.7 模型文件的保存与打开 86
3.2.8 Simulink建模注意事项 87
3.3 模块的合成、创建与封闭 87
3.3.1 模块的合成 87
3.3.2 创建新模块 88
3.3.3 模块的封装 89
3.4 Simulink仿真命令与回调方法 94
3.4.1 Simulink模型的构造与编辑命令 94
3.4.2 Simulink模型仿真命令 101
3.4.3 模型与模块的回调方法 104
3.5 S函数 107
3.5.1 S函数的工作方式 107
3.5.2 用MATLAB语言编写S函数 109
第4章 自动控制系统的模型建立与仿真 115
4.1 控制系统的数学模型 115
4.1.1 连续系统 115
4.1.2 离散系统 117
4.2 数学模型的建立 118
4.2.1 传递函数模型 118
4.2.2 状态空间模型 123
4.2.3 零极点增益模型 127
4.2.4 频率响应数据模型 131
4.3 模型对象间的转换 133
4.3.1 LTI对象转化为传递函数 134
4.3.2 将LTI对象转化为零极点模型 135
4.3.3 系统的状态方程实现 137
4.3.4 最小实现 138
4.4 数学模型的连接 140
4.4.1 优先原则 140
4.4.2 串并连接 141
4.4.3 反馈连接 144
4.4.4 复杂模型的连接 147
4.5 控制系统的模型属性 150
4.6 含有非线性环节的系统仿真 157
4.6.1 饱和非线性 157
4.6.2 死区非线性 158
4.6.3 间隔非线性 159
4.7 控制系统的离散化与连续化 160
4.7.1 连续系统模型的离散化 160
4.7.2 离散系统模型的连续化 162
4.8 离散系统的仿真 162
4.8.1 差分方程法 163
4.8.2 Z变换法 165
第5章 根轨迹分析法 167
5.1 根轨迹的基本概念 167
5.2 根轨迹的指令方式 168
5.3 根轨迹设计工具 173
5.3.1 根轨迹图形设计工具的使用方法 173
5.3.2 根轨迹图形设计示例 177
5.4 利用根轨迹图对闭环系统性能分析 179
5.5 根轨迹分析 180
5.5.1 幅值条件和相角条件 180
5.5.2 绘制根轨迹法则 181
5.5.3 参数根轨迹的绘制分析 183
5.5.4 根轨迹的时滞系统分析 187
5.6 根轨迹对系统的暂态特性的分析 189
第6章 时域、频域分析法 192
6.1 控制系统的时域分析介绍 192
6.1.1 时域分析基本概念 192
6.1.2 时域分析方法 194
6.2 频域分析法的基础 212
6.2.1 有关频域分析的几个概念 212
6.2.2 控制系统的频域特性 214
6.3 频率响应分析的MATLAB实现 217
6.3.1 Bode图的绘制 217
6.3.2 Nyquist图的绘制 222
6.3.3 Nichols图的绘制 223
6.4 频率系统品质分析 225
6.4.1 开环频率特性与时域响应的关系 225
6.4.2 闭环频率特性与时域响应的关系 226
第7章 控制系统性质的分析 228
7.1 用根轨迹法判定系统稳定性 228
7.2 用频率法判定系统稳定性 232
7.2.1 用Bode图判定系统的稳定性 233
7.2.2 用Nyquist图判定系统的稳定性 236
7.3 控制系统稳态误差的计算 239
7.3.1 控制系统的静、动态误差系数 239
7.3.2 典型信号输入下的稳态误差 243
7.3.3 外信号输入的响应与稳态误差曲线 249
7.3.4 非单位负反馈系统的误差计算 255
7.3.5 扰动作用下的稳态误差计算 256
7.4 线性系统的可控性和可观性 262
7.4.1 可控性 262
7.4.2 可观性 263
7.4.3 可控性和可观性的实现 264
第8章 常用的控制系统设计 271
8.1 非线性控制系统设计 271
8.1.1 非线性系统的概述 271
8.1.2 非线性系统有关特性的介绍 272
8.2 线性控制系统的设计 276
8.2.1 线性控制的概述 276
8.2.2 状态反馈与极点配置 276
8.3 PID控制系统的设计 285
8.3.1 PID控制原理 285
8.3.2 PID控制 286
8.4 最优控制系统的设计 294
8.4.1 最优控制的概述 294
8.4.2 最优控制系统设计示例 299
8.5 鲁棒控制系统设计 301
8.5.1 鲁棒控制的概述 301
8.5.2 H∞控制器设计 305
8.6 智能控制系统设计 310
8.6.1 智能控制的概述 310
8.6.2 专家PID控制 310
第9章 控制系统的校正 314
9.1 控制系统的Bode图校正 314
9.1.1 Bode图超前校正 314
9.1.2 Bode图滞后校正 318
9.1.3 Bode图滞后超前校正 320
9.2 控制系统的根轨迹校正 327
9.2.1 根轨迹的超前校正 328
9.2.2 根轨迹的滞后校正 331
9.2.3 根轨迹的滞后超前校正 334
9.3 控制系统的PID校正 337
9.3.1 PID调节的概述 337
9.3.2 PID调节规律介绍 337
9.3.3 PID调节分析介绍 338
9.3.4 PID校正设计方法介绍 342
9.4 控制系统的频率校正 354
9.4.1 频率法的超前校正 354
9.4.2 频率法的滞后校正 358
第10章 控制系统的典型应用 362
10.1 倒立摆控制的设计 362
10.1.1 倒立摆数学模型 362
10.1.2 开环响应 363
10.1.3 PID控制算法的MATLAB实现 366
10.2 计算机硬盘读／写磁头位置控制器设计 367
10.2.1 硬盘读／写磁头的数学模型 368
10.2.2 模型离散化及性能分析 368
10.2.3 附加超前校正装置及性能分析 370
10.2.4 闭环控制系统设计与性能分析 372
10.3 挠性结构振动控制的应用 374
10.3.1 挠性结构的概述 374
10.3.2 挠性结构的主动振动及仿真 374
参考文献 385