Computer aided control systems design using MATLAB language

第1章 控制系统计算机辅助设计概述.1

1.1 控制系统计算机辅助设计技术的发展综述1

1.2 控制系统计算机辅助设计语言环境综述2

1.3 仿真软件的发展概况6

1.4 matlab/simulink与cacsd工具箱7

1.5 控制系统计算机辅助设计领域的新方法9

1.6 本书的基本结构和内容10

1.7 习题12

参考文献13

第2章 matlab语言程序设计基础17

2.1 matlab程序设计语言基础18

2.1.1 matlab语言的变量与常量18

2.1.2 数据结构19

2.1.3 matlab的基本语句结构20

2.1.4 冒号表达式与子矩阵提取22

2.2 基本数学运算23

2.2.1 矩阵的代数运算23

2.2.2 矩阵的逻辑运算24

2.2.3 矩阵的比较运算25

2.2.4 解析结果的化简与变换26

.2.2.5 基本数论运算27

2.3 matlab语言的流程结构29

2.3.1 循环结构29

2.3.2 条件转移结构31

2.3.3 开关结构32

2.3.4 试探结构33

2.4 函数编写与调试33

2.4.1 matlab语言函数的基本结构34

2.4.2 可变输入输出个数的处理38

2.4.3 inline函数与匿名函数38

2.5 二维图形绘制39

2.5.1 二维图形绘制基本语句39

2.5.2 其他二维图形绘制语句42

2.5.3 隐函数绘制及应用44

2.5.4 图形修饰45

2.6 三维图形表示47

2.6.1 三维曲线绘制47

2.6.2 三维曲面绘制48

2.6.3 三维图形视角设置50

2.7 matlab语言与现代科学运算52

2.7.1 线性代数问题的matlab求解52

2.7.2 常微分方程问题的matlab求解58

2.7.3 最优化问题的matlab求解63

2.8 本章要点简介67

2.9 习题68

参考文献72

第3章 线性控制系统的数学模型73

3.1 线性连续系统模型及matlab表示74

3.1.1 线性系统的传递函数模型74

3.1.2 线性系统的状态方程模型77

3.1.3 线性系统的零极点模型78

3.1.4 多变量系统的传递函数矩阵模型79

3.2 线性离散时间系统的数学模型80

3.2.1 离散传递函数模型80

3.2.2 离散状态方程模型82

3.3 方框图描述系统的化简83

3.3.1 控制系统的典型连接结构83

3.3.2 节点移动时的等效变换86

3.3.3 复杂系统模型的简化87

3.4 系统模型的相互转换89

3.4.1 连续模型和离散模型的相互转换89

3.4.2 系统传递函数的获取92

3.4.3 控制系统的状态方程实现93

3.4.4 状态方程的最小实现94

3.4.5 传递函数与符号表达式的相互转换95

3.5 线性系统的模型降阶96

3.5.1 padé降阶算法与routh降阶算法96

3.5.2 时间延迟模型的padé近似99

3.5.3 带有时间延迟系统的次最优降阶算法100

3.5.4 状态方程模型的降阶算法103

3.6 线性系统的模型辨识105

3.6.1 离散系统的模型辨识105

3.6.2 离散系统辨识信号的生成110

3.6.3 多变量离散系统的辨识112

3.6.4 离散系统的递推最小二乘辨识113

3.7 本章要点小结115

3.8 习题115

参考文献120

第4章 线性控制系统的计算机辅助分析123

4.1 线性系统性质分析124

4.1.1 线性系统稳定性分析124

4.1.2 线性系统的内部稳定性分析127

4.1.3 线性系统的线性相似变换128

4.1.4 线性系统的可控性分析129

4.1.5 线性系统的可观测性分析132

4.1.6 kalman规范分解133

4.1.7 系统状态方程标准型的matlab求解133

4.1.8 系统的范数测度及求解137

4.2 线性系统时域响应解析解法138

4.2.1 基于状态方程的解析解方法138

4.2.2 基于部分分式展开方法求解140

4.2.3 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标145

4.3 线性系统的数字仿真分析148

4.3.1 线性系统的阶跃响应与脉冲响应148

4.3.2 任意输入下系统的响应152

4.3.3 降阶模型的时域分析及比较154

4.4 根轨迹分析155

4.5 线性系统频域分析160

4.5.1 单变量系统的频域分析161

4.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性165

4.5.3 系统的幅值裕度和相位裕度167

4.5.4 多变量系统的频域分析168

4.5.5 降阶模型的频域分析及比较175

4.6 本章要点小结176

4.7 习题177

参考文献182

第5章 simulink在系统仿真中的应用183

5.1 simulink建模的基础知识183

5.1.1 simulink简介183

5.1.2 simulink下常用模块简介185

5.1.3 simulink下其他工具箱的模块组190

5.2 simulink建模与仿真191

5.2.1 simulink建模方法简介191

5.2.2 仿真算法与控制参数选择196

5.2.3 simulink在控制系统仿真研究中的应用举例198

5.3 非线性系统分析与仿真208

5.3.1 分段线性的非线性环节208

5.3.2 非线性系统的极限环研究211

5.3.3 非线性系统的线性化212

5.4 子系统与模块封装技术216

5.4.1 子系统概念及构成方法216

5.4.2 模块封装方法217

5.4.3 模块集构造223

5.5 m-函数、s-函数编写及其应用223

5.5.1 m-函数模块的基本结构224

5.5.2 s-函数的基本结构224

5.5.3 用matlab编写s-函数举例225

5.5.4 s-函数的封装231

5.6 本章要点小结231

5.7 习题232

参考文献..236

第6章 控制系统计算机辅助设计237

6.1 超前滞后校正器设计方法238

6.1.1 串联超前滞后校正器238

6.1.2 超前滞后校正器的设计方法240

6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面246

6.2 基于状态空间模型的控制器设计方法249

6.2.1 状态反馈控制249

6.2.2 线性二次型指标最优调节器250

6.2.3 极点配置控制器设计252

6.2.4 观测器设计及基于观测器的调节器设计255

6.3 过程控制系统的pid控制器设计260

6.3.1 pid控制器概述260

6.3.2 过程系统的一阶延迟模型近似263

6.3.3 ziegler-nichols参数整定方法268

6.3.4 最优pid整定算法275

6.3.5 其他模型的pid控制器参数整定算法278

6.3.6 基于folpd的pid控制器设计程序281

6.4 最优控制器设计284

6.4.1 最优控制的概念284

6.4.2 基于matlab/simulink的最优控制程序及其应用288

6.4.3 最优控制程序的其他应用291

6.5 多变量系统的频域设计方法293

6.5.1 对角占优系统与伪对角化293

6.5.2 多变量系统的参数最优化设计299

6.5.3 基于ocd的多变量系统最优设计304

6.6 本章要点小结306

6.7 习题306

参考文献309

第7章 鲁棒控制与鲁棒控制器设计313

7.1 线性二次型gauss控制314

7.1.1 线性二次型gauss问题314

7.1.2 使用matlab 求解lqg问题314

7.1.3 带有回路传输恢复的lqg控制318

7.2 鲁棒控制问题的一般描述323

7.2.1 小增益定理323

7.2.2 鲁棒控制器的结构323

7.2.3 鲁棒控制系统的matlab描述326

7.3 h1/h2 鲁棒控制器计算机辅助设计329

7.3.1 鲁棒控制工具箱的设计方法329

7.3.2 基于线性矩阵不等式工具箱的设计方法335

7.3.3 基于1分析与综合工具箱的h1控制器设计335

7.3.4 基于回路成型技术的鲁棒控制器设计337

7.4 新鲁棒控制工具箱及应用338

7.4.1 不确定系统的描述338

7.4.2 灵敏度问题的鲁棒控制器设计339

7.4.3 混合灵敏度问题的鲁棒控制器设计341

7.5 分数阶控制系统分析与设计342

7.5.1 分数阶微积分学与数值计算343

7.5.2 分数阶线性系统频域与时域分析345

7.5.3 分数阶微分的滤波器近似及应用347

7.5.4 分数阶系统的模型降阶技术351

7.5.5 分数阶系统的控制器设计352

7.6 本章要点简介356

7.7 习题357

参考文献358

第8章 自适应与智能控制系统设计361

8.1 自适应控制系统设计361

8.1.1 模型参考自适应系统的设计与仿真362

8.1.2 自校正控制器设计与仿真364

8.1.3 广义预测控制系统与仿真369

8.2 模糊控制及模糊控制器设计372

8.2.1 模糊逻辑与模糊推理372

8.2.2 模糊pd控制器设计374

8.2.3 模糊pid控制器设计379

8.3 神经网络及神经网络控制器设计383

8.3.1 神经网络简介383

8.3.2 基于单个神经元的pid控制器设计384

8.3.3 基于反向传播神经网络的pid控制器387

8.3.4 基于径向基函数的神经网络的pid控制器389

8.4 基于遗传算法的最优控制器设计391

8.4.1 遗传算法简介391

8.4.2 基于遗传算法的最优化问题求解393

8.4.3 基于遗传算法的最优控制问题求解397

8.5 本章要点简介399

8.6 习题400

参考文献402

第9章 半实物仿真与实时控制405

9.1 dspace简介与常用模块406

9.1.1 dspace简介406

9.1.2 dspace模块组406

9.2 quanser简介与常用模块407

9.2.1 quanser简介407

9.2.2 quanser常用模块介绍408

9.2.3 quanser旋转运动控制系列实验受控对象简介409

9.3 半实物仿真与实时控制实例410

9.3.1 受控对象的数学描述与仿真研究410

9.3.2 quanser 实时控制实验412

9.3.3 dspace 实时控制实验414

9.4 本章要点简介417

9.5 习题417

参考文献417

附录a 积分变换问题matlab 求解419

a.1 laplace 变换及其反变换419

a.2 z变换及其反变换420

a.3 laplace变换和z变换计算机求解421

a.4 本附录要点小结425

a.5 习题426

附录b 常用受控对象的实际系统模型427

b.1 著名的基准测试问题427

b.1.1 f-14战斗机中的控制问题427

b.1.2 acc测试模型428

b.2 其他工程控制问题的数学模型429

b.2.1 伺服控制系统模型429

b.2.2 倒立摆问题的数学模型430

b.2.3 airc模型431

b.3 思考与练习432

参考文献432

附录c 反馈系统程序ctrllab简介435

c.1 ctrllab的安装与运行436

c.2 控制系统模型的输入与处理436

c.3 反馈控制系统的分析437

c.4 反馈控制系统计算机辅助设计438

c.5 本附录要点小结439

c.6 习题439

参考文献440

函数名索引441

索引...445