控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用

本书系统地介绍了国际控制界应用最广的MATLAB语言及其在控制教学与研究中的应用，侧重于介绍MATLAB语言编程基础与技巧、科学运算问题的MATLAB求解、线性系统的建模和计算机辅助分析、非线性系统的仿真分析、控制系统的计算机辅助设计方法等，包括串联控制器、状态反馈控制器、多变量系统频域设计、PID控制器设计、QFT控制器、**控制器设计、多变量频域设计与解耦、LQG/LTR控制器设计、**控制、分数阶控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法优化控制等。本书还介绍了基于dSPACE和Quanser的实时控制系统实验方法。

薛定宇： 分别在沈阳工业大学、东北大学和英国Sussex大学获得学士（1985年）、硕士（1988年）和博士学位（1992年），1997年起任东北大学信息学院教授。深耕于计算机在数学与自动控制学科的应用，主持了国家精品课程建设，并于1996年在清华大学出版社出版《控制系统计算机辅助设计——MATLAB与应用》（该教材被评为国家级精品教材，被认为是国内MATLAB应用领域具有深远影响的一部图书，为MATLAB在国内高校教学与科研中的普及起到了巨大的作用）。先后被评为辽宁省教学名师、辽宁省优秀教师，获得国家教学成果二等奖、中国自动化学会教育教学成果一等奖、辽宁省教学成果一等奖等奖励。主讲的“控制系统仿真与CAD”课程被评为国家级精品课程、国家级精品资源共享课程；主讲的“现代科学运算——MATLAB语言与应用”课程被评为首批国家级一流本科课程，配套录制的全新慕课课程均上线于爱课程与中国大学MOOC（慕课）网站。

第1章控制系统计算机辅助设计概述1

11控制问题的计算机求解演示1

12控制系统计算机辅助设计技术的发展综述5

13控制系统计算机辅助设计语言环境综述6

14仿真软件的发展概况9

15MATLAB/Simulink与CACSD工具箱11

16控制系统计算机辅助设计领域方法概述13

17本书的基本结构和内容15

171本书的基本内容15

172MATLAB的联机帮助系统17

18习题18

参考文献20

第2章MATLAB语言程序设计基础23

21MATLAB程序设计语言基础24

211MATLAB语言的变量与常量24

212数据结构25

213MATLAB的基本语句结构27

214冒号表达式28

215子矩阵提取29

22基本数学运算29

221矩阵的代数运算29

222矩阵的逻辑运算32

223矩阵的比较运算32

224超越函数计算33

225符号运算33

226基本数论运算34

23MATLAB语言的流程结构36

231循环结构36

232条件转移结构37

233开关结构38

234试探结构39

24函数编写与调试40

241MATLAB语言函数的基本结构41

242可变输入输出个数的处理44

243匿名函数与inline函数44

244伪代码与代码保密处理45

245MATLAB程序的实时编辑器45

25二维图形绘制47

251二维图形绘制基本语句47

252其他二维图形绘制语句50

253隐函数绘制及应用52

254图形修饰53

255数据文件与Excel文件的读写54

26三维图形表示55

261三维曲线绘制55

262三维曲面绘制56

263三维条带图58

264三维图形视角设置60

27MATLAB应用程序设计技术61

271应用程序设计工具AppDesigner61

272句柄图形学及句柄对象属性63

273界面设计举例与技巧66

28习题68

参考文献72

第3章科学运算问题的MATLAB求解73

31线性代数问题的MATLAB求解74

311矩阵的基本分析74

312矩阵的分解77

313矩阵指数eA和指数函数eAt78

314矩阵的任意函数计算79

32代数方程的MATLAB求解79

321线性方程求解问题及MATLAB实现79

322一般非线性方程的求解83

323非线性矩阵方程的MATLAB求解85

33常微分方程问题的MATLAB求解89

331一阶常微分方程组的数值解法89

?目录XIII

332常微分方程的转换91

333微分方程数值解的验证93

334线性常微分方程的解析求解94

34最问题的MATLAB求解95

341无约束问题求解95

342有约束问题求解96

343全局解的尝试97

344曲线拟合方法99

35Laplace变换与z变换问题的MATLAB求解101

351Laplace变换101

352数值Laplace变换102

353z变换103

36习题105

参考文献111

第4章线性控制系统的数学模型113

41线性连续系统模型及MATLAB表示114

411简单电路的数学建模114

412线性系统的传递函数模型115

413线性系统的状态方程模型117

414带有内部延迟的状态方程模型119

415线性系统的零极点模型120

416多变量系统的传递函数矩阵模型121

42线性离散时间系统的数学模型122

421离散传递函数模型122

422离散状态方程模型123

43系统模型的相互转换124

431连续模型和离散模型的相互转换124

432系统传递函数的获取126

433控制系统的状态方程实现127

434状态方程的均衡实现129

435状态方程的最小实现129

436传递函数与符号表达式的相互转换131

44方框图描述系统的化简131

441控制系统的典型连接结构132

442节点移动时的等效变换137

443复杂系统模型的简化138

444方框图化简的代数方法139

445连接矩阵的另一种生成方法142

45线性系统的模型降阶143

451Padé降阶算法与Routh降阶算法143

452时间延迟模型的Padé近似147

453带有时间延迟系统的次降阶算法148

454状态方程模型的降阶算法152

46线性系统的模型辨识155

461离散系统的模型辨识155

462系统辨识的图形用户界面158

463辨识模型的阶次选择158

464离散系统辨识信号的生成161

465连续系统的辨识162

466多变量离散系统的辨识163

47习题164

参考文献168

第5章线性控制系统的计算机辅助分析171

51线性系统性质分析172

511线性系统稳定性的直接判定172

512内部延迟系统的稳定性分析175

513线性反馈系统的内部稳定性分析176

514线性系统的线性相似变换177

515线性系统的可控性分析178

516线性系统的可观测性分析181

517Kalman规范分解181

518系统状态方程标准型的MATLAB求解182

519系统的范数测度及求解185

52线性系统时域响应解析解法186

521直接积分解析解方法186

522基于增广矩阵的解析解方法187

523基于Laplace变换、z变换的解析解方法189

524阶跃响应指标191

53线性系统的数值仿真分析192

531线性系统的阶跃响应与脉冲响应192

532任意输入下系统的响应197

533非零初始状态下系统的时域响应199

534非正则系统的时域响应200

535面向对象的时域响应曲线绘制200

?目录XV

54根轨迹分析201

541一般系统的根轨迹分析201

542正反馈系统的根轨迹204

543延迟系统的根轨迹205

544系统对参数的根轨迹207

55线性系统频域分析207

551单变量系统的频域分析208

552带有内部延迟模型的频域响应分析212

553利用频率特性分析系统的稳定性213

554系统的幅值裕度和相位裕度214

56多变量系统的频域分析215

561多变量系统频域分析概述215

562多变量系统对角占优分析217

563多变量系统的奇异值曲线绘制221

57习题222

参考文献226

第6章非线性控制系统的建模与仿真227

61Simulink建模的基础知识228

611Simulink简介228

612Simulink下常用模块简介229

613Simulink下其他工具箱的模块组234

62Simulink建模与仿真235

621Simulink建模方法简介235

622仿真算法与控制参数选择239

623Simulink仿真举例242

63控制系统的Simulink建模与仿真实例244

64非线性系统分析与仿真252

641分段线性的非线性环节252

642非线性系统的极限环研究255

643非线性系统的线性化256

644非线性系统的稳定性分析260

65子系统与模块封装技术261

651子系统概念及构成方法261

652模块封装方法262

653模块集构造266

66S-函数编写及其应用267

661M-函数模块的基本结构267

662复杂系统的Simulink建模演示268

663S-函数的基本结构268

664用MATLAB编写S-函数举例270

665S-函数的封装273

67多领域物理建模入门273

671数学建模的局限性274

672Simscape简介275

673电气系统的建模与仿真276

674机械系统的建模与仿真277

68习题280

参考文献285

第7章控制系统的经典设计方法287

71超前滞后校正器设计方法288

711串联超前滞后校正器288

712超前滞后校正器的设计方法289

72基于状态空间模型的控制器设计方法293

721状态反馈控制293

722线性二次型指标调节器294

723极点配置控制器设计296

724观测器设计及基于观测器的调节器设计299

73控制器设计303

731控制的概念303

732传统控制可能存在的误区303

733基于数值化与Simulink的控制器设计305

734快速重启与优化过程的实时显示306

735非线性系统的控制器设计307

736性能指标的合理性308

737终止仿真时间的选择310

74控制应用程序311

741基于MATLAB/Simulink的控制程序及其应用311

742控制程序的其他应用313

743开放的程序框架314

744PID型控制器最好的二阶控制器结构315

75多变量系统的频域设计方法316

751对角占优系统与伪对角化317

752多变量系统的参数化设计321

753基于OCD的多变量系统设计327

?目录XVII

76多变量系统的解耦控制328

761状态反馈解耦控制329

762状态反馈的极点配置解耦系统330

77习题333

参考文献337

第8章PID控制器的参数整定339

81PID控制器设计概述340

811连续PID控制器340

812离散PID控制器342

813PID控制器的变形343

82过程受控对象的一阶延迟模型近似344

821由响应曲线识别一阶模型344

822基于频域响应的近似方法346

823基于传递函数的辨识方法347

824降阶方法347

83FOPDT模型的PID控制器参数整定348

831Ziegler–Nichols经验公式348

832改进的Ziegler–Nichols算法350

833改进PID控制结构与算法352

834Chien–Hrones–Reswick参数整定算法355

835PID整定经验公式356

84其他受控对象模型的控制器参数整定359

841IPD模型的PD和PID参数整定359

842FOLIPD模型的PD和PID参数整定359

843不稳定FOPDT模型的PID参数整定361

844交互式PID类控制器整定程序界面361

85OptimPIDPID控制器设计程序365

851控制系统的底层仿真模型365

852OptimPID程序举例366

853开放框架与程序扩展369

86习题369

参考文献371

第9章鲁棒控制与鲁棒控制器设计373

91线性二次型Gauss控制374

911线性二次型Gauss问题374

912使用MATLAB求解LQG问题374

913带有回路传输恢复的LQG控制378

92鲁棒控制问题的一般描述382

921小增益定理382

922鲁棒控制器的结构383

923回路成型的一般描述385

924鲁棒控制系统的MATLAB描述386

93基于范数的鲁棒控制器设计389

931H∞、H2鲁棒控制器设计方法389

932其他鲁棒控制器设计函数394

94线性矩阵不等式理论与求解398

941线性矩阵不等式的一般描述398

942线性矩阵不等式问题的MATLAB求解402

943基于YALMIP工具箱的求解方法404

944多线性模型的同时镇定问题405

945基于LMI的鲁棒控制器设计406

95习题408

参考文献409

第10章自适应与智能控制系统设计411

101自适应控制系统设计412

1011模型参考自适应系统的设计与仿真412

1012自校正控制器设计与仿真417

102自抗扰控制器421

1021扩张状态观测器的建模422

1022自抗扰控制器的建模423

1023自抗扰控制系统的仿真424

103模型预测控制系统426

1031动态矩阵控制427

1032基于MATLAB的模型预测控制实现429

1033预测控制的Simulink仿真434

1034广义预测控制系统与仿真436

104模糊控制及模糊控制器设计438

1041模糊逻辑与模糊推理439

1042模糊PD控制器设计440

1043模糊PID控制器设计444

105神经网络及神经网络控制器设计447

1051神经网络简介448

1052基于单个神经元的PID控制器设计449

?目录XIX

1053基于反向传播神经网络的PID控制器451

1054基于径向基函数的神经网络PID控制器453

106迭代学习控制系统仿真455

1061迭代学习控制原理456

1062迭代学习控制算法458

107全局控制器设计462

1071遗传算法简介462

1072基于遗传算法的问题求解463

1073粒子群算法与其他全局方法465

1074基于全局优化算法的控制问题求解465

108习题467

参考文献471

第11章分数阶控制系统的分析与设计473

111分数阶微积分定义与性质475

1111分数阶微积分的定义475

1112分数阶微积分的性质476

1113Mittag-Leffler函数与计算477

112分数阶微积分的数值计算478

1121用Grünwald–Letnikov定义求解分数阶微分479

1122Caputo微积分定义的数值计算481

1123Oustaloup滤波算法及其应用482

1124Caputo导数的滤波器近似485

113线性分数阶微分方程的解析解方法485

1131一类分数阶线性系统时域响应解析解方法486

1132一些重要的Laplace变换公式486

1133成比例分数阶线性微分方程的解析解法487

114分数阶微分方程的数值方法488

1141零初值分数阶线性微分方程的解法488

1142非零初值Caputo微分方程的数值求解490

1143非零初值非线性Caputo微分方程的数值求解491

1144基于框图的非线性分数阶微分方程近似解法493

115分数阶传递函数建模与分析497

1151分数阶传递函数的数学模型498

1152类的定义与输入498

1153分数阶状态方程的处理501

1154系统建模的重载函数501

1155分数阶系统分析502

116分数阶PID控制器设计506

1161分数阶PID控制器的数学描述507

1162无延迟受控对象的控制器设计507

1163有延迟受控对象的控制器设计508

1164分数阶PID控制器的设计界面510

117习题512

参考文献514

第12章半实物仿真与实时控制517

121dSPACE简介与常用模块518

122Quanser简介与常用模块519

1221Quanser常用模块简介519

1222Quanser旋转运动控制系列实验受控对象简介521

123半实物仿真与实时控制实例522

1231受控对象的数学描述与仿真研究522

1232Quanser实时控制实验524

1233dSPACE实时控制实验526

124习题528

参考文献528

附录A常用受控对象的实际系统模型529

A1著名的基准测试问题529

A11F-14战斗机中的控制问题529

A12ACC基准测试模型530

A2其他工程控制问题的数学模型531

A21伺服控制系统模型531

A22倒立摆问题的数学模型532

A23AIRC模型533

A3习题533

参考文献534

附录B本书设计的控制器模块集535

术语索引537

 

函数名索引549