第1篇 MATLAB常见技巧应用及控制系统分析基础 2
第1章 MATLAB基础知识 2
1.1 本章导读 2
1.2 MATLAB界面功能简介 2
1.3 MATLAB矩阵基本运算 7
1.4 MATLAB图形点线样式的设置 9
1.5 MATLAB绘图函数的使用 11
1.5.1 平面绘图 11
1.5.2 三维绘图 13
1.5.3 图形动画的显示 16
1.5.4 数据趋势逼近 17
1.5.5 基本图像处理 19
1.6 MATLAB代码转可执行软件 20
1.7 MATLAB代码执行时间的计算 21
1.8 使用Notebook 22
1.9 读取十六进制数并转换成十进制数 22
1.10 解决Simulink模型打不开的问题 23
1.11 结果保存至文本文件 24
第2章 图形显示及GUI设计 26
2.1 本章导读 26
2.2 Annoation图形标注 26
2.3 图形局部放大 27
2.4 给图像加上缩放滚动条 28
2.5 GUI应用分析 29
2.5.1 图像加载和存储 29
2.5.2 GUI图形显示 31
2.5.3 可变GUI窗体设置 32
2.6 随机变量分布图 34
2.7 符号变量应用求解 36
2.8 对数函数图绘制 38
2.9 在界面上显示特殊字符 40
第3章 简单工程应用分析 44
3.1 本章导读 44
3.2 反射定理证明求解 44
3.3 椭圆面积积分求解 46
3.4 天然气井的开采量求解 47
3.5 烟草摄入量求解 52
3.6 阻力大小与下落速度求解 55
第4章 滤波器设计及控制系统仿真建模 58
4.1 本章导读 58
4.2 傅立叶变换的性质 58
4.3 Fourier变换 59
4.3.1 MATLAB Fourier工具箱实例 59
4.3.2 快速傅立叶变换与仿真 60
4.3.3 低通滤波器设计 62
4.4 Z变换的应用 73
4.5 系统传递函数模型 75
4.5.1 传递函数定义 75
4.5.2 传递函数的特性 76
4.6 动力学系统基本元件 76
4.6.1 惯性元件 76
4.6.2 弹性元件 76
4.6.3 阻尼元件 77
4.7 机械手臂控制系统仿真 78
第5章 弹簧阻尼系统建模 90
5.1 本章导读 90
5.2 弹簧振子简谐振动动画 90
5.3 一阶延迟环节 91
5.4 单自由度弹簧阻尼系统 93
5.4.1 机械系统 95
5.4.2 力-电系统 98
5.5 多自由度振动系统 100
5.5.1 二自由度系统 101
5.5.2 半正定三自由度系统 109
第2篇 MATLAB PID控制及车辆控制仿真应用 114
第6章 基于PID的控制算法 114
6.1 本章导读 114
6.2 PID控制原理 114
6.3 专家PID控制 115
6.4 增量式PID控制算法及仿真 119
6.5 积分分离PID控制算法及其仿真 121
6.6 PID恒温控制 127
6.7 PID直流电机速度控制 129
6.8 基于卡尔曼滤波器的PID控制 132
6.8.1 卡尔曼滤波 133
6.8.2 卡尔曼温度跟踪 136
6.8.3 卡尔曼的PID控制 138
6.9 基于PID的智能小车循迹控制仿真 141
第7章 基于人群搜索算法的PID参数整定 145
7.1 SOA算法在PID控制中的运用 145
7.1.1 PID控制原理 145
7.1.2 PID的离散化处理 146
7.1.3 基于SOA的PID参数整定的基本原理 146
7.2 基于SOA的PID参数整定的设计方案 147
7.2.1 参数的编码 147
7.2.2 适应度函数的选取 147
7.2.3 搜索步长的确定 147
7.2.4 搜索方向的确定 148
7.2.5 个体位置的更新 148
7.2.6 算法流程 149
7.2.7 算法实例 149
7.2.8 PID参数整定结果 149
7.3 进给伺服系统传递函数模型 154
7.4 基于SOA算法的进给伺服系统PID整定 155
7.4.1 参数的编码 155
7.4.2 适应度函数的选取 156
7.4.3 搜索步长的确定 156
7.4.4 搜索方向的确定 157
7.4.5 个体位置的更新 157
7.4.6 SOA算法流程 157
7.4.7 PID参数整定结果 157
第8章 基于LQR和PID的倒立摆小车控制 164
8.1 本章导读 164
8.2 问题背景 164
8.3 线性系统 165
8.3.1 状态空间表达式 165
8.3.2 系统状态线性变换 166
8.3.3 线性系统的能控性 166
8.4 最优控制 167
8.4.1 线性二次型控制 167
8.4.2 LQR状态反馈矩阵求解 168
8.4.3 PID状态反馈矩阵求解 169
8.5 单摆运动系统仿真动画 170
8.6 倒立摆系统 173
8.6.1 一级倒立摆系统分析 174
8.6.2 利用LQR法设计控制器 175
8.6.3 利用PID法设计控制器 179
8.7 倒立摆系统平衡控制系统设计 180
8.7.1 线性二次型倒立摆控制 181
8.7.2 PID倒立摆控制 183
第9章 结构静力学设计仿真计算 186
9.1 本章导读 186
9.2 桁架的静力分析 186
9.3 梁的静力分析 188
9.4 桁架模态分析动画设计 194
9.5 基于单元刚度矩阵的结构受力分析 199
9.5.1 平面桁架单元刚度矩阵 199
9.5.2 平面梁单元的刚度方程 204
9.5.3 平面钢架单元的刚度方程 207
第10章 悬臂梁振动主动控制 212
10.1 本章导读 212
10.2 振动主动控制原理分析 212
10.3 悬臂梁振动动力学模型 213
10.3.1 悬臂梁振动力学分析 213
10.3.2 悬臂梁振动微分方程 213
10.3.3 固有频率和主振型 214
10.4 悬臂梁的PID控制仿真 220
10.4.1 PID控制理论 220
10.4.2 PID控制器设计与算法仿真 221
第11章 机构学运动仿真 226
11.1 本章导读 226
11.2 曲柄摇杆机构点迹的动态仿真 226
11.2.1 曲柄摇杆机构模型的分析 226
11.2.2 Simulink仿真程序设计 227
11.3 曲柄摇杆机构运动仿真 229
11.4 双曲柄机构 232
11.5 双曲柄机构运动仿真 235
11.6 曲柄滑块机构运动学仿真建模 241
11.7 复向量坐标系下的曲柄滑块机构仿真 243
11.8 曲柄滑块机构运动仿真 248
第12章 敞篷汽车优化设计及模态分析 250
12.1 本章导读 250
12.2 汽车敞篷机构设计分析 250
12.3 敞篷汽车三段式折叠软顶设计 251
12.4 汽车敞篷机构运动仿真 260
12.5 模态分析法 266
12.5.1 二自由度系统传递函数 267
12.5.2 二自由度系统模态分析 268
第13章 列车系统控制仿真 271
13.1 本章导读 271
13.2 伺服电机正反转仿真 271
13.3 二自由度系统动力消振器模型 275
13.4 无源隔振器的频率特性分析 277
13.5 二自由度车辆悬架系统优化控制 279
13.6 电磁悬浮模糊控制 282
13.6.1 电磁悬浮过程控制 282
13.6.2 电流放大器控制系统 285
13.6.3 位置控制系统的连续和离散模型 286
13.6.4 模糊调节器控制 288
13.7 空调自动控制系统 295
13.8 列车制动停车过程控制 298
13.8.1 空气制动力计算 298
13.8.2 闸瓦压力计算 299
13.8.3 车辆阻力计算 300
13.8.4 列车制动停车过程分析 300
13.8.5 轨面粘着系数 301
13.8.6 仿真计算 302
13.8.7 CRH动车临界速度分析 305
第14章 汽车振动控制仿真 308
14.1 本章导读 308
14.2 汽车振动分析 308
14.3 汽车振动响应 312
14.3.1 汽车振动系统的简化 312
14.3.2 四自由度系统模型 314
14.3.3 频响函数求解 315
14.4 PID于汽车行驶速度控制 320
14.4.1 汽车行驶控制模型 320
14.4.2 汽车行驶控制系统动力学模型 320
14.5 振动信号频谱分析 323
第15章 汽车车灯光源优化分析 333
15.1 本章导读 333
15.2 问题分析 333
15.2.1 模型假设 333
15.2.2 模型符号说明 334
15.3 点光源直射光形成的锥面方程确定 334
15.3.1 点光源传播中的能量传递规律 335
15.3.2 光照度公式推导 335
15.3.3 点光源直射光锥面方程的确定 336
15.3.4 直射功率有效值计算 337
15.4 直射光总功率计算 341
15.5 测试屏上直射光的亮区模型建立 343
15.5.1 区域D1中的任一点处的光照强度确定 345
15.5.2 区域D2中的任一点处的光照强度确定 346
15.5.3 区域D21中的任一点处的光照强度确定 346
15.5.4 区域D22中的任一点处的光照强度确定 348
15.5.5 区域D23、D24中的任一点处的光照强度确定 348
15.5.6 直射光区域内任一点处的光照强度确定 350
15.6 建立测试屏幕上反射光的亮区模型 354
15.7 测试屏亮区及光照度计算 356
第3篇 MATLAB算法设计提高 362
第16章 椭圆拟合和微分方程计算 362
16.1 本章导读 362
16.2 由离散点拟合圆方程 362
16.3 由离散点拟合椭圆方程 364
16.4 拱形圆顶及椭圆顶分析 365
16.5 椭圆形偏微分方程 369
第17章 隐式逐步积分法 372
17.1 本章导读 372
17.2 常用积分表达式 372
17.3 欧拉方法 376
17.3.1 向前欧拉方法 376
17.3.2 向后欧拉方法 377
17.4 高阶微分方程（组）的数值计算 379
17.5 四阶龙格库塔法及亚当斯法 382
17.6 隐式逐步积分法 386
17.6.1 线性加速度法 386
17.6.2 威尔逊θ法 389
第18章 基于PSO的优化设计 392
18.1 本章导读 392
18.2 基本粒子群算法 392
18.3 粒子群算法的收敛性 394
18.4 粒子群算法函数极值求解 395
18.4.1 经典测试函数 396
18.4.2 一维函数全局最优 401
18.4.3 无约束函数极值寻优 405
18.4.4 有约束函数极值寻优 410
18.4.5 有约束函数极值寻优 413
第19章 基于GA的优化分析 418
19.1 本章导读 418
19.2 遗传算法特点 418
19.3 遗传算法的寻优计算 419
19.4 基于GA的曲面极大值寻优 427
19.5 基于GA_PSO算法极小值寻优 431
第20章 基于PSO的机构优化 434
20.1 本章导读 434
20.2 微粒群优化算法研究现状 434
20.2.1 微粒群优化算法的改进研究 434
20.2.2 微粒群优化算法的应用研究 435
20.3 机构优化设计理论分析 435
20.4 平面连杆机构的模型建立 435
20.5 利用复合形法进行设计 438
20.5.1 复合形法的算法流程 438
20.5.2 模型计算结果 438
20.6 利用约束随机方向法进行设计 441
20.6.1 初始点的选择 442
20.6.2 随机方向法的算法流程 442
20.6.3 模型计算结果 442
20.7 利用优化工具箱法进行设计 445
20.8 利用微粒群优化算法进行设计 448
参考文献 453