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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