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1 MATLAB基础1

1.1 概述1

1.1.1 MATLAB第6版的主要特点1

1.1.2 本书的主要特点2

1.2 MATLAB的桌面操作环境3

1.2.1 MATLAB的桌面窗口3

1.2.2 工具栏和状态栏8

1.2.3 属性设置8

1.3 MATLAB的编辑和调试操作环境8

1.3.1 主菜单栏及下拉式菜单的功能8

1.3.2 工具栏、工具图标和状态栏11

1.3.3 属性设置11

1.4 MATLAB的图形操作环境12

1.4.1 主菜单及下拉式菜单的功能13

1.4.2 图形属性15

1.5 数值计算和矩阵运算18

1.5.1 MATLAB数值类型18

1.5.2 符号运算20

1.5.3 矩阵运算22

1.5.3 关系运算和逻辑运算28

1.6 程序、文件和函数30

1.6.1 程序流的控制30

1.6.2 文件33

1.6.3 m文件剖析器37

1.6.4 程序调试和诊断38

习题40

2.1.2 常用术语42

2.1.1 控制系统组成示例42

2.1 控制系统组成和常用术语42

2.控制系统的描述42

2.2 建立数学模型的方法43

2.2.1 机理建模43

2.2.2 根据输入输出数据建立数学模型44

2.3 拉氏变换和控制系统描述54

2.3.1 拉氏变换和拉氏反变换54

2.3.2 线性时不变系统的描述56

2.3.3 线性时不变系统的属性60

2.4 模型转换61

2.4.1 线性时不变模型的转换62

2.4.2 连续模型和离散模型之间的置换64

2.5.1 模型的串联连接67

2.5 模型的连接67

2.5.2 模型的并联连接70

2.5.3 模型的反馈连接71

2.5.4 模型的添加连接72

2.5.5 复杂模型的连接73

习题76

3 时域响应分析79

3.1 系统响应的输入信号79

3.2 根据模型获得响应曲线79

3.2.1 拉氏反变换法79

3.2.2 部分分式展开法82

3.2.3 直接计算法84

3.3 响应曲线分析87

3.3.1 阶跃响应的分析88

3.3.2 脉冲响应的分析92

3.3.3 用LTI Viewer获得响应曲线和性能指标93

3.4 稳定性分析95

3.4.1 直接计算特征根的方法95

3.4.2 劳斯稳定性判据96

3.5 误差分析98

3.5.1 静态误差系数98

3.5.2 动态误差系数99

3.6 灵敏度的补灵敏度100

3.7 离散线性时不变控制系统的分析102

3.7.1 z变换和z反变换102

3.7.2 离散控制系统的模型和响应分析104

3.7.3 离散控制系统的稳定性分析107

3.7.4 用LTI Viewer获得离散控制系统的响应曲线和性能指标109

3.8.2 绘制相平面图111

3.8 相平面分析111

3.8.1 相平面的基本概念111

3.8.3 相平面分析113

3.8.4 非线性系统的相平面分析115

习题116

4 频率响应分析119

4.1 频率响就与传递函数的关系119

4.2 频率响应的图示法119

4.2.1 奈魁斯特图120

4.2.2 伯德图123

4.2.3 尼柯尔斯图125

4.3 频率响应分析127

4.3.1 性能分析127

4.3.2 稳定性分析130

4.4 非最小相位系统的频率响应分析136

4.5 逆奈魁斯特图和系统分析138

4.5.1 单变量的逆奈魁斯特图138

4.5.2 多变量频域中的对角优势矩阵139

4.5.3 格希哥仁定理140

4.6 离散控制系统的频域分析141

4.7 衰减频率响应142

4.7.1 衰减频率响应142

4.7.2 衰减比判据145

4.8 描述函数的分析146

4.8.1 描述函数的基本概念146

4.8.2 稳定性分析147

习题149

5.1.1 根轨迹与等增益轨迹151

5 根轨迹分析151

5.1 基本原理151

5.1.2 零极点与过渡过程的关系152

5.1.3 二阶系统极点位置与过渡过程的关系156

5.2 绘制根轨迹158

5.2.1 根轨迹的起点、终点和分支数158

5.2.2 根轨迹的分离点或会合点158

5.2.3 根轨迹的渐近线159

5.2.4 根轨迹与虚轴的交点160

5.2.5 确定根轨迹上点的增益161

5.3 根轨迹分析162

5.3.1 性能分析162

5.3.2 稳定性分析163

5.4.4 根轨迹与虚轴的交点164

5.4.3 根轨迹的分离点或会合点164

5.4.5 根轨迹与等衰减比线的交点164

5.4.2 根轨迹的渐近线164

5.4.1 根轨迹起点、终点和分支数164

5.4 含时滞环节系统的根轨迹164

5.4.6 绘制含时滞环节系统的根轨迹165

5.5 绘制根轨迹的示例166

5.6 在z平面的根轨迹169

5.7 特殊情况的处理170

5.7.1 正反馈控制系统的根轨迹170

5.7.2 根轨迹族的绘制171

习题173

6 设计和校正方法174

6.1 设计和分析方法174

6.1.1 增加极点对控制系统的影响175

6.1.3 开环对数幅频和相频特性与控制品质的关系176

6.1.2 增加零点对控制系统的影响176

6.2 超前校正178

6.2.1 超前校正环节的特性178

6.2.2 基于根轨迹的超前校正设计180

6.2.3 基于频率响应的超前校正设计182

6.3 滞后校正184

6.3.1 滞后校正环节的特性184

6.3.2 基于根轨迹的滞后校正设计185

6.3.3 基于频率响应的滞后校正设计187

6.4 超前滞后校正189

6.4.1 超前滞后校正环节的特性190

6.4.2 超前滞后校正环节的设计190

6.5 其他校正方法191

6.5.1 零极点对消192

6.5.2 反馈校正192

6.6 PID控制器设计194

6.5.3 前馈校正194

6.6.1 比例、积分和微分控制作用过程控制品质的影响195

6.6.2 控制器参数整定199

6.7 SISO系统的设计工具205

6.7.1 系统设计工具sisotool的使用方法205

6.7.2 系统设计工具的使用214

习题217

7 状态空间描述219

7.1 状态空间的基本概念219

7.1.1 状态、状态变量和状态空间219

7.1.2 状态方程和输出方程220

7.1.3 状态方程的求解、传递函数矩阵和状态转移矩阵的计算221

7.1.4 状态空间系统的图形描述223

7.2.1 稳定性224

7.2 稳定性、可控性和可观性224

7.2.2 可控性228

7.2.3 可观测性230

7.2.4 对偶性232

7.2.5 相似变换和模态矩阵233

7.2.6 系统状态的典型分解234

7.3 状态空间模型的描述236

7.3.1 约当规范型236

7.3.2 控制器规范型237

7.3.3 观测器规范型238

7.3.4 系统的实现238

习题243

8 状态反馈控制和观测器设计245

8.1 状态反馈245

8.1.1 状态反馈和输出反馈245

8.1.2 状态反馈的等效简化248

8.1.3 状态反馈控制系统的设计251

8.2 观测器设计256

8.2.1 全阶观测器的设计256

8.2.2 降阶观测器的设计260

8.2.3 观测器在状态反馈控制系统中的应用262

8.3 Kalman滤波器设计265

8.3.1 Kalman滤波器的递推算法265

8.3.2 使用Kalman滤波器时的注意事项266

8.3.3 示例267

8.4 解耦控制系统的设计269

8.4.1 控制回路的关联269

8.4.2 相对增益矩阵271

8.4.3 关联系统的预对角化273

8.4.4 状态反馈解耦277

8.5.1 四种不同情况下的系统灵敏度278

8.5 系统灵敏度分析278

8.5.2 状态反馈系统的灵敏度分析280

习题282

9 动态最优控制283

9.1 基本概念283

9.1.1 目标函数283

9.1.2 容许控制284

9.1.3 最优控制问题的一般数学描述284

9.1.4 最优控制与常规反馈控制的区别284

9.1.5 动态最优控制的结构和分类285

9.1.6 变分法的基本概念286

9.2 最小值原理287

9.2.1 最小值原理的导入287

9.2.2 最小值原理288

9.3.1 最短时间控制的特点291

9.3 最短时间控制291

9.3.2 用Simulink进行最短时间控制系统的分析292

9.3.3 最短时间控制系统的设计293

9.4 线性二次型最优控制296

9.4.1 线性二次型最优控制的问题和解答296

9.4.2 加权矩阵的设置298

9.4.3 线性二次型最优控制系统的稳定性302

9.5 线性二次型高斯问题302

习题304

10.Simulink及应用305

10.1 Simulink的使用305

10.1.1 Simulink基本操作305

10.1.2 创建遮蔽子系统319

10.1.3 条件执行子系统323

10.1.4 子系统的mdl文件327

10.2 采用MATLAB命令进行仿真和分析330

10.2.1 仿真系统打开和关闭的MATLAB操作命令330

10.2.2 设置仿真系统功能模块参数的操作命令331

10.2.3 设置仿真系统解算器参数的操作命令333

10.2.4 仿真系统运行结果的分析操作命令335

10.2.5 仿真系统运行的操作命令337

10.3 S函数的设计和应用337

10.3.1 S函数的设计337

10.3.2 S函数的应用340

10.4 控制系统的仿真341

10.4.1 控制系统仿真341

10.4.2 控制系统仿真的动画效果342

10.4.3 仪表显示和交互界面设计344

习题348