控制系统设计与仿真 (2009 年度畅销榜NO.45450 )

本书是MATLAB工程应用系列丛书之一。书中系统地讲述了控制系统的相关理论，动态系统的建模，以及如何运用MATLAB 6. X软件中的控制工具箱进行控制系统的设计和仿真。本书主要内容包括：LTI系统的建模、设计和仿真，鲁棒控制系统的设计和仿真，以及线性模型预测系统的设计和仿真等。书中通过大量实例展示了使用MATLAB 6．X进行控制系统工程设计的一般方法和设计技巧。\r\n\r\n 本书可作为高等院校自动控制和机电工程等专业师生的参考教材，对从事上述领域工作的广大科技工作人员也具有一定的参考价值。\r\n\r\n\r\n
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第一章　概述 \r\n\r\n 1. 1　控制系统简介 \r\n\r\n 1. 1. 1　控制理论的发展 \r\n\r\n 1. 1. 2　经典控制理论 \r\n\r\n 1. 1. 3　现代控制理论 \r\n\r\n 1. 1. 4　控制系统的计算机辅助设计 \r\n\r\n 1. 2 MATLAB 6. X中的控制产品集 \r\n\r\n 1. 2. 1　概述 \r\n\r\n 1. 2. 2　控制系统工具箱简介 \r\n\r\n 1. 2. 3 Simulink 4. 1产品介绍 \r\n\r\n 1. 2. 4　其它控制相关产品 \r\n\r\n 1. 2. 5　MATLAB 6. X开发控制系统流程 \r\n\r\n 1. 3　数学准备 \r\n\r\n 1. 3. 1　微分方程的求解 \r\n\r\n 1. 3. 2　差分方程的解 \r\n\r\n 1. 3. 3　矩阵代数与矩阵运算 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 第二章　控制系统的时域和颁域描述 \r\n\r\n 2. 1　状态方程与时域描述 \r\n\r\n 2. 1. 1　控制系统的状态空间描述 \r\n\r\n 2. 1. 2　状态方程的创建 \r\n\r\n 2. 1. 3　非线性系统的线性化 \r\n\r\n 2. 1. 4　线性系统的解析解 \r\n\r\n 2. 1. 5　线性系统的离散化 \r\n\r\n 2. 1. 6　状态方程的数值积分 \r\n\r\n 2. 1. 7　实例 \r\n\r\n 2. 2　传递函数与频域描述 \r\n\r\n 2. 2. 1　线性系统的输入输出关系 \r\n\r\n 2. 2. 2　Laplace变换 \r\n\r\n 2. 2. 3 Laplace反变换 \r\n\r\n 2. 2. 4　微分方程的解 \r\n\r\n 2. 2. 5　卷积 \r\n\r\n 2. 2. 6　Laplace变换与状态方程 \r\n\r\n 2. 2. 7　系统传递函数矩阵与方框图实现 \r\n\r\n 2. 2. 8　系统的频域仿真 \r\n\r\n 2. 2. 9　Z变换与离散系统习题 \r\n\r\n 第三章　控制系统建模 \r\n\r\n 3. 1　简单机械系统的建模 \r\n\r\n 3. 1. 1　弹簧振动系统的建模 \r\n\r\n 3. 1. 2　摩托车缓冲系统的建模 \r\n\r\n 3. 2　简单流体系统的建模 \r\n\r\n 3. 2. 1　单个蓄水槽的动态模型 \r\n\r\n 3. 2. 2　双蓄水槽系统的模型建立 \r\n\r\n 3. 3　永磁体直流电机的建模 \r\n\r\n 3. 3. 1　物理描述 \r\n\r\n 3. 3. 2　数学模型 \r\n\r\n 3. 3. 3　仿真分析 \r\n\r\n 3. 4　光源跟踪伺服系统的建模与系统分析 \r\n\r\n 3. 4. 1　物理模型 \r\n\r\n 3. 4. 2　数学模型 \r\n\r\n 3. 4. 3　仿真分析 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 第四章　控制系统的设计与仿真 \r\n\r\n 4. 1　系统建模与仿真框图的创建 \r\n\r\n 4. 1. 1　问题描述 \r\n\r\n 4. 1. 2　物理模型 \r\n\r\n 4. 1. 3　时域仿真 \r\n\r\n 4. 1. 4　模型转换 \r\n\r\n 4. 1. 5　留数定理 \r\n\r\n 4. 1. 6　频域仿真 \r\n\r\n 4. 1. 7　仿真框图及系统建立 \r\n\r\n 4. 2　控制系统设计 \r\n\r\n 4. 2. 1　经典比例控制器 \r\n\r\n 4. 2. 2　状态反馈控制器 \r\n\r\n 4. 2. 3　完全可控性 \r\n\r\n 4. 2. 4　极点配置 \r\n\r\n 4. 2. 5　带全观测器的状态反馈控制 \r\n\r\n 4. 2. 6　完全可观性 \r\n\r\n 4. 2. 7　观测器增益的确定 \r\n\r\n 4. 2. 8　对偶系统 \r\n\r\n 4. 3　控制系统的时域仿真 \r\n\r\n 4. 3. 1　经典比例控制器设计 \r\n\r\n 4. 3. 2　状态反馈控制器 \r\n\r\n 4. 3. 3　混合控制器 \r\n\r\n 4. 3. 4　参考输入增益的调整 \r\n\r\n 4. 4　实例：倒摆系统的建模与仿真 \r\n\r\n 4. 4. 1　引言 \r\n\r\n 4. 4. 2　基本方程 \r\n\r\n 4. 4. 3　非线性状态方程描述 \r\n\r\n 4. 4. 4　线性状态方程描述 \r\n\r\n 4. 4. 5　倒摆系统的MATLAB仿真 \r\n\r\n 4. 4. 6　仿真程序源代码 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 第五章　LTI系统的MATLAB辅助设计与仿真 \r\n\r\n 5. 1　控制系统工具箱的使用 \r\n\r\n 5. 1. 1 创建LTI模型对象 \r\n\r\n 5. 1. 2　设置LTI对象的属性 \r\n\r\n 5. 1. 3　LTI模型之间的相互转换 \r\n\r\n 5. 1. 4 Simulink中的LTI系统模块 \r\n\r\n 5. 1. 5　LTI模型的运算 \r\n\r\n 5. 1. 6　系统分析工具 \r\n\r\n 5. 1. 7　模型属性的分析 \r\n\r\n 5. 2　LTI模型数组 \r\n\r\n 5. 2. 1　基本概念 \r\n\r\n 5. 2. 2　LTI数组的维数和形状 \r\n\r\n 5. 2. 3　创建LTI数组 \r\n\r\n 5. 2. 4　LTI数组的下标运用 \r\n\r\n 5. 2. 5 LTI数组的相关运算 \r\n\r\n 5. 3　LTI系统分析和设计的图形操作环境 \r\n\r\n 5. 3. 1 LTI观测器（LTI Viewer） \r\n\r\n 5. 3. 2 SISO系统设计工具（SISO Design Tool） \r\n\r\n 5. 4　LTI控制系统的设计实例 \r\n\r\n 5. 4. 1 LQG调节器的设计 \r\n\r\n 5. 4. 2 Kalman滤波器的设计 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 第六章　鲁棒控制系统的计算机辅助设计与仿真 \r\n\r\n 6. 1　鲁棒控制工具箱介绍 \r\n\r\n 6. 1. 1　鲁棒控制工具箱简介 \r\n\r\n 6. 1. 2　系统的分层数据结构表示 \r\n\r\n 6. 2　鲁棒控制系统概述 \r\n\r\n 6. 2. 1　奇异值. H2和H∞范数 \r\n\r\n 6. 2. 2　标准的鲁棒控制问题 \r\n\r\n 6. 2. 3　结构与非结构不确定性 \r\n\r\n 6. 2. 4　鲁棒控制分析 \r\n\r\n 6. 2. 5　系统鲁捧分析 \r\n\r\n 6. 3　鲁棒控制系统的设计方法 \r\n\r\n 6. 3. 1　概述 \r\n\r\n 6. 3. 2　H2和H∞设计方法 \r\n\r\n 6. 3. 3　奇异值回路设计：混合灵敏方法 \r\n\r\n 6. 3. 4　u综合问题 \r\n\r\n 6. 3. 5　双线性变换与鲁棒控制系统设计 \r\n\r\n 6. 4　鲁棒控制系统设计实例 \r\n\r\n 6. 4. 1　二阶系统的经典回路设计与H∞综合 \r\n\r\n 6. 4. 2　双积分系统的H∞鲁棒设计 \r\n\r\n 6. 4. 3　弹簧振动系统的双线性变换与H∞鲁棒控制 \r\n\r\n 6. 4. 4　弹簧振动系统鲁棒控制器的u综合方法 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 第七章　模型预测控制系统的计算机辅助设计 \r\n\r\n 7. 1　模型预测控制工具箱概述 \r\n\r\n 7. 2　基于阶跃响应的模型预测控制 \r\n\r\n 7. 2. 1　阶跃响应模型 \r\n\r\n 7. 2. 2　模型辨识 \r\n\r\n 7. 2. 3　无约束模型预测控制 \r\n\r\n 7. 2. 4　闭环回路分析 \r\n\r\n 7. 2. 5　有约束的模型预测控制 \r\n\r\n 7. 3　基于状态空间模型的模型预测控制 \r\n\r\n 7. 3. 1　MPC表示的状态空间模型 \r\n\r\n 7. 3. 2　基于状态空间模型的无约束MPC设计 \r\n\r\n 7. 3. 3　基于状态空间模型的有约束MPC设计 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 第八章　控制系统应用设计与仿真实例 \r\n\r\n 8. 1　汽车运动控制系统的设计 \r\n\r\n 8. 1. 1　问题提出 \r\n\r\n 8. 1. 2　模型描述 \r\n\r\n 8. 1. 3　PID控制器设计 \r\n\r\n 8. 1. 4　根轨迹设计方法 \r\n\r\n 8. 2　跷跷板控制系统的设计 \r\n\r\n 8. 2. 1　系统模型 \r\n\r\n 8. 2. 2　全状态反馈控制器的设计 \r\n\r\n 8. 2. 3　数字控制器的设计和实现 \r\n\r\n 8. 3　直流（DC）电机调速系统的计算机辅助设计 \r\n\r\n 8. 3. 1　问题描述 \r\n\r\n 8. 3. 2　系统设计 \r\n\r\n 8. 4　电磁驱动水压伺服机构的根轨迹设计 \r\n\r\n 8. 4. 1　问题描述 \r\n\r\n 8. 4. 2　打开SISO设计工具 \r\n\r\n 8. 4. 3　增大系统的增益 \r\n\r\n 8. 4. 4　增加控制器的零极点 \r\n\r\n 8. 4. 5　系统的阻尼比约束 \r\n\r\n 习题 \r\n\r\n 附录A MATLAB 6. X常用命令 \r\n\r\n A. 1　基本命令 \r\n\r\n A. 2　常用函数 \r\n\r\n A. 3　控制工具箱函数 \r\n\r\n 附录B MathWorks Release 12. 1的新特点 \r\n\r\n B. 1 Release 12. 1版本中的新产品 \r\n\r\n B. 1. 1　Release 12. 1中的全新产品 \r\n\r\n B. 1. 2 Release 12. 1中产品的更新 \r\n\r\n B. 2 MATLAB 6. 1新特性 \r\n\r\n B. 3　Simulink 4. 1新特性 \r\n\r\n 附录C　各章习题答案 \r\n\r\n 参考文献 \r\n
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从事控制系统分析和设计的技术人员常常会为系统分析和设计带来的巨大. 繁琐的计算工作量而苦恼. 例如, 在进行校正器设计时, 经常需要绘制系统对数频率响应曲线, 而在采用根轨迹方法配置系统期望极点时, 也需要首先绘制出系统的根轨迹图. 然而, 如果借助计算机本身强大的计算和绘图功能, 这些问题都可以很容易地解决, 从而极大地提高了系统分析和设计的效率, 直接导致了控制系统计算机辅助设计这一学科的创建.

目前适用于控制系统计算机辅助设计的软件很多. 在众多仿真语言和仿真软件包中, MATLAB以其模块化的计算方法, 可视化与智能化的人机交互功能, 丰富的矩阵运算. 图形绘制. 数据处理函数以及模块化图形组态的动态系统仿真工具Simulink, 成为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统.

MathWorks公司最新发布的MATLAB 6. 1包含了功能强大的控制产品集, 它支持控制系统设计过程的每一个环节, 从系统建模. 仿真到控制器设计和实现等等, 可以用于各种不同的领域, 如汽车. 航空航天. 计算机和通讯行业.

使用MATLAB高级编程语言, 只需花很短的时间就可以开发出控制算法, 通过强大的绘图能力, 对你的数据. 方程和结果进行显示, 可绘出极轨迹. Bode图. 响应和谱等.

与控制相关的工具箱涵盖了许多前沿的控制设计方法, 如LQG. 根轨迹. H∞以及模糊逻辑. MATLAB语言提供的图形界面使控制系统的设计和分析更加方便, 如Control System Toolbox中包含一个根轨迹设计工具（用于补偿器的设计）和一个LTI观察器（用于分析时域和频域的响应）.

使用框图式动态系统仿真工具Simulink可以方便地建立控制系统原型和控制对象模型, 通过仿真不断地优化和改善用户的设计. 无论是离散的. 连续的. 条件执行的. 多采样的或混杂的系统, Simulink都是描述动态系统模型的最佳工具.

目前MATLAB软件包已经成为控制系统领域的标准设计和计算工具, 然而介绍MATLAB使用方法的书中, 大多只是介绍MATLAB软件及其工具箱的使用方法, 而很少针对某一个具体的问题作详细深入的探讨. 读者只能在脱离具体应用的环境下了解MATLAB语言的使用和某些工具箱函数的调用方法, 而对一般控制系统的设计流程和函数的运用方法总感到不得要领. 此外, 在介绍控制系统分析和设计的相关著作中, 又很少以MATLAB作为专门的辅助设计工具, 因此, 广大控制系统的技术人员迫切需要一本集中讲述如何运用MATLAB进行控制系统分析和设计的书, 这便是作者撰写此书的动机.

本书不同于一般介绍MATLAB和工具箱的书, 而是结合大量的具体实例, 从系统建模. 控制器设计. 误差分析和系统仿真等几个方面讲述了运用MATLAB进行控制系统分析和设计的全过程. 所列举的实例紧贴工程实际, 具有很强的代表性. 通过阅读此书, 读者可以学到大量控制系统设计和仿真的技巧和基本方法, 使控制系统设计人员迅速掌握MATLAB这一强大工具的使用方法.

参与本书编写的人员有赵文峰. 吴为. 谢光. 陈兰蓉. 沈铸. 李明. 谢涛. 田杰. 江雪平. 杨力保. 郭建伟. 毛艳霞. 钱江红. 吴大维. 燕湘. 陈琼. 张克. 谢南天等, 吴令达. 王雪峰绘制了本书的部分图片, 本书的写作得到了王德军. 林哲辉. 施晓红. 叶缓媛. 陈颖文等人的大力协助与支持, 毛红兵老师对本书的策划与编写工作给予了有效的指导, 在此一并表示感谢！

感谢西安电子科技大学出版社给本书提供写作出版的机会！

由于作者水平有限, 书中错误与不当之处在所难免, 恳请专家. 读者指正.

编者

2002年2月