控制系統計算機輔助設計——MATLAB語言與應用（第5版）
薛定宇
- 出版商: 清華大學
- 出版日期: 2026-03-01
- 售價: $576
- 語言: 簡體中文
- ISBN: 7302705879
- ISBN-13: 9787302705871
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控制系統 Control-systems
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商品描述
作者簡介
目錄大綱
目 錄
第1 章控制系統計算機輔助設計概述..............................1
1.1 控制問題的計算機求解演示................................1
1.2 控制系統計算機輔助設計技術的發展綜述......................5
1.3 控制系統計算機輔助設計語言環境綜述.......................6
1.4 仿真軟件的發展概況....................................9
1.5 MATLAB/Simulink 與CACSD 工具箱........................11
1.6 控制系統計算機輔助設計領域方法概述.......................13
1.7 本書的基本結構和內容...................................15
1.7.1 本書的基本內容...................................15
1.7.2 MATLAB 的聯機幫助系統...........................17
1.7.3 MATLAB 語言與科學運算...........................18
1.8 習題................................................18
參考文獻.................................................19
第2 章MATLAB 語言程序設計基礎...............................23
2.1 MATLAB 程序設計語言基礎...............................24
2.1.1 MATLAB 語言的變量與常量.........................24
2.1.2 數據結構.......................................25
2.1.3 MATLAB 的基本語句結構...........................27
2.1.4 冒號表達式......................................28
2.1.5 子矩陣提取......................................29
2.2 基本數學運算.........................................29
2.2.1 矩陣的代數運算...................................29
2.2.2 矩陣的邏輯運算...................................32
2.2.3 矩陣的比較運算...................................32
2.2.4 超越函數計算....................................33
2.2.5 符號運算.......................................33
2.2.6 基本數論運算....................................34
2.3 MATLAB 語言的流程結構................................36
2.3.1 循環結構.......................................36
2.3.2 條件轉移結構....................................37
2.3.3 開關結構.......................................38
2.3.4 試探結構.......................................38
2.4 函數編寫與調試........................................39
2.4.1 MATLAB 語言函數的基本結構........................40
2.4.2 輸入變元類型的檢測...............................43
2.4.3 可變輸入輸出個數的處理............................45
2.4.4 匿名函數與inline 函數..............................45
2.4.5 偽代碼與代碼保密處理..............................46
2.4.6 MATLAB 程序的實時編輯器.........................46
2.5 二維圖形繪制.........................................48
2.5.1 二維圖形繪制基本語句..............................48
2.5.2 其他二維圖形繪制語句..............................51
2.5.3 隱函數繪制及應用.................................53
2.5.4 圖形修飾.......................................54
2.5.5 數據文件與Excel 文件的讀寫.........................55
2.6 三維圖形表示.........................................56
2.6.1 三維曲線繪制....................................56
2.6.2 三維曲面繪制....................................57
2.6.3 三維圖形視角設置.................................59
2.7 面向對象編程入門......................................61
2.7.1 面向對象編程的基本概念............................61
2.7.2 類的設計.......................................61
2.7.3 類的創建與顯示...................................62
2.7.4 回調函數的編寫...................................64
2.8 MATLAB 應用程序設計技術...............................68
2.8.1 應用程序設計工具App Designer .......................68
2.8.2 句柄圖形學及句柄對象屬性..........................70
2.8.3 界面設計舉例與技巧...............................74
2.8.4 App 設計的其他技巧...............................76
2.9 習題................................................77
參考文獻.................................................80
第3 章科學運算問題的MATLAB 求解.............................81
3.1 線性代數問題的MATLAB 求解.............................82
3.1.1 矩陣的基本分析...................................82
3.1.2 矩陣的分解......................................85
3.1.3 矩陣指數eA 和指數函數eAt ..........................86
3.1.4 矩陣的任意函數計算...............................87
3.2 代數方程的MATLAB 求解................................87
3.2.1 線性方程求解問題及MATLAB 實現....................87
3.2.2 一般非線性方程的求解..............................91
3.2.3 非線性矩陣方程的MATLAB 求解......................93
3.3 常微分方程問題的MATLAB 求解...........................96
3.3.1 一階常微分方程組的數值解法.........................96
3.3.2 常微分方程的轉換.................................99
3.3.3 微分方程數值解的驗證..............................100
3.3.4 線性常微分方程的解析求解..........................102
3.4 最優化問題的MATLAB 求解..............................103
3.4.1 無約束最優化問題求解..............................103
3.4.2 有約束最優化問題求解..............................104
3.4.3 全局最優解的嘗試.................................106
3.4.4 基於問題的最優化描述與求解方法.....................107
3.4.5 最優曲線擬合方法.................................109
3.5 Laplace 變換與z 變換問題的MATLAB 求解....................110
3.5.1 Laplace 變換.....................................110
3.5.2 數值Laplace 變換.................................112
3.5.3 z 變換..........................................113
3.6 習題................................................114
參考文獻.................................................120
第4 章線性控制系統的數學模型.................................123
4.1 線性連續系統模型及MATLAB 表示..........................124
4.1.1 簡單電路的數學建模...............................124
4.1.2 線性系統的傳遞函數模型............................125
4.1.3 線性系統的狀態方程模型............................127
4.1.4 帶有內部延遲的狀態方程模型.........................129
4.1.5 線性系統的零極點模型..............................130
4.1.6 多變量系統的傳遞函數矩陣模型.......................131
4.2 線性離散時間系統的數學模型..............................131
4.2.1 離散傳遞函數模型.................................132
4.2.2 離散狀態方程模型.................................133
4.3 系統模型的相互轉換....................................133
4.3.1 連續模型和離散模型的相互轉換.......................134
4.3.2 系統傳遞函數的獲取...............................136
4.3.3 控制系統的狀態方程實現............................137
4.3.4 狀態方程的均衡實現...............................139
4.3.5 狀態方程的最小實現...............................140
4.3.6 傳遞函數與符號表達式的相互轉換.....................141
4.4 方框圖描述系統的化簡...................................141
4.4.1 控制系統的典型連接結構............................141
4.4.2 節點移動時的等效變換..............................147
4.4.3 復雜系統模型的簡化...............................147
4.4.4 方框圖化簡的代數方法..............................149
4.4.5 關聯矩陣的另一種生成方法..........................151
4.5 線性系統的模型降階....................................152
4.5.1 Padé 降階算法與Routh 降階算法.......................153
4.5.2 時間延遲模型的Padé 近似...........................156
4.5.3 帶有時間延遲系統的次最優降階算法....................158
4.5.4 狀態方程模型的降階算法............................162
4.6 線性系統的模型辨識....................................164
4.6.1 離散系統的模型辨識...............................164
4.6.2 系統辨識的圖形用戶界面............................167
4.6.3 辨識模型的階次選擇...............................168
4.6.4 離散系統辨識信號的生成............................169
4.6.5 連續系統的辨識...................................170
4.6.6 多變量離散系統的辨識..............................172
4.7 習題................................................173
參考文獻.................................................177
第5 章線性控制系統的計算機輔助分析............................179
5.1 線性系統性質分析......................................180
5.1.1 線性系統穩定性的直接判定..........................180
5.1.2 內部延遲系統的穩定性分析..........................183
5.1.3 線性反饋系統的內部穩定性分析.......................184
5.1.4 線性系統的線性相似變換............................185
5.1.5 線性系統的可控性分析..............................186
5.1.6 線性系統的可觀測性分析............................189
5.1.7 Kalman 規範分解..................................189
5.1.8 系統狀態方程標準型的MATLAB 求解...................190
5.1.9 系統的範數測度及求解..............................193
5.2 線性系統時域響應解析解法................................194
5.2.1 直接積分解析解方法...............................194
5.2.2 基於增廣矩陣的解析解方法..........................195
5.2.3 基於Laplace 變換、z 變換的解析解方法..................197
5.2.4 階躍響應指標....................................199
5.3 線性系統的數值仿真分析.................................200
5.3.1 線性系統的階躍響應與沖激響應.......................201
5.3.2 任意輸入下系統的響應..............................205
5.3.3 非零初始狀態下系統的時域響應.......................207
5.3.4 非正則系統的時域響應..............................207
5.3.5 面向對象的時域響應曲線繪制.........................208
5.4 根軌跡分析...........................................209
5.4.1 一般系統的根軌跡分析..............................210
5.4.2 正反饋系統的根軌跡...............................213
5.4.3 延遲系統的根軌跡.................................213
5.4.4 系統對參數的根軌跡...............................215
5.5 線性系統頻域分析......................................216
5.5.1 單變量系統的頻域分析..............................216
5.5.2 正頻率的Nyquist 曲線繪制...........................220
5.5.3 帶有內部延遲模型的頻域響應分析.....................221
5.5.4 利用頻率特性分析系統的穩定性.......................221
5.5.5 系統的幅值裕度和相位裕度..........................222
5.6 多變量系統的頻域分析...................................224
5.6.1 多變量系統頻域分析概述............................224
5.6.2 多變量系統對角占優分析............................225
5.6.3 多變量系統的奇異值曲線繪制.........................229
5.7 習題................................................229
參考文獻.................................................234
第6 章非線性控制系統的建模與仿真..............................235
6.1 Simulink 建模的基礎知識.................................236
6.1.1 Simulink 簡介....................................236
6.1.2 Simulink 下常用模塊簡介............................237
6.1.3 Simulink 下其他工具箱的模塊組.......................241
6.2 Simulink 建模與仿真....................................241
6.2.1 Simulink 建模方法簡介..............................241
6.2.2 仿真算法與控制參數選擇............................244
6.2.3 Simulink 建模的技巧...............................247
6.2.4 示波器模塊的使用技巧..............................248
6.2.5 Simulink 仿真舉例.................................249
6.3 控制系統的Simulink 建模與仿真實例.........................251
6.4 非線性系統分析與仿真...................................259
6.4.1 分段線性的非線性環節..............................259
6.4.2 非線性系統的極限環研究............................262
6.4.3 非線性系統的線性化...............................263
6.4.4 非線性系統的穩定性分析............................267
6.5 子系統與模塊封裝技術...................................268
6.5.1 子系統概念及構成方法..............................268
6.5.2 模塊封裝方法....................................269
6.5.3 模塊集構造......................................273
6.6 S-函數編寫及其應用.....................................274
6.6.1 M-函數模塊的基本結構.............................274
6.6.2 系統的狀態方程描述...............................275
6.6.3 復雜系統的Simulink 建模演示.........................275
6.6.4 一級S-函數的基本結構..............................276
6.6.5 用MATLAB 編寫S-函數舉例.........................278
6.6.6 二級S-函數......................................280
6.6.7 S-函數的封裝....................................283
6.7 多領域物理建模入門....................................284
6.7.1 數學建模的局限性.................................284
6.7.2 Simscape 簡介....................................286
6.7.3 電氣系統的建模與仿真..............................286
6.7.4 機械系統的建模與仿真..............................288
6.8 習題................................................290
參考文獻.................................................296
第7 章控制系統的經典設計方法.................................297
7.1 超前滯後校正器設計方法.................................298
7.1.1 串聯超前滯後校正器...............................298
7.1.2 超前滯後校正器的設計方法..........................299
7.2 基於狀態空間模型的控制器設計方法.........................303
7.2.1 狀態反饋控制....................................303
7.2.2 線性二次型指標最優調節器..........................304
7.2.3 極點配置控制器設計...............................306
7.2.4 觀測器設計及基於觀測器的調節器設計..................308
7.3 最優控制器設計........................................312
7.3.1 最優控制的概念...................................312
7.3.2 傳統最優控制可能存在的誤區.........................313
7.3.3 基於數值最優化的最優控制器設計.....................314
7.3.4 快速重啟與優化過程的實時顯示.......................316
7.3.5 性能指標的合理性.................................318
7.3.6 終止仿真時間的選擇...............................319
7.4 最優控制應用程序......................................320
7.4.1 基於MATLAB/Simulink 的最優控制程序及其應用..........320
7.4.2 最優控制程序的其他應用............................323
7.4.3 開放的程序框架...................................324
7.4.4 PID 型控制器最好的二階控制器結構.................324
7.5 多變量系統的頻域設計方法................................325
7.5.1 對角占優系統與偽對角化............................326
7.5.2 多變量系統的參數最優化設計.........................331
7.5.3 基於OCD 的多變量系統最優設計......................336
7.6 多變量系統的解耦控制...................................337
7.6.1 狀態反饋解耦控制.................................338
7.6.2 狀態反饋的極點配置解耦系統.........................339
7.7 習題................................................342
參考文獻.................................................345
第8 章PID 控制器的參數整定...................................347
8.1 PID 控制器設計概述.....................................348
8.1.1 連續PID 控制器..................................348
8.1.2 離散PID 控制器..................................350
8.1.3 PID 控制器的變形.................................351
8.2 過程受控對象的一階延遲模型近似...........................352
8.2.1 由響應曲線識別一階模型............................352
8.2.2 基於頻域響應的近似方法............................354
8.2.3 基於傳遞函數的辨識方法............................355
8.2.4 最優降階方法....................................355
8.3 FOPDT 模型的PID 控制器參數整定.........................356
8.3.1 Ziegler–Nichols 經驗公式............................356
8.3.2 改進的Ziegler–Nichols 算法..........................358
8.3.3 改進PID 控制結構與算法............................360
8.3.4 Chien–Hrones–Reswick 參數整定算法...................362
8.3.5 最優PID 整定經驗公式.............................364
8.4 其他受控對象模型的控制器參數整定.........................366
8.4.1 IPD 模型的PD 和PID 參數整定.......................367
8.4.2 FOLIPD 模型的PD 和PID 參數整定....................367
8.4.3 不穩定FOPDT 模型的PID 參數整定....................369
8.4.4 交互式PID 類控制器整定程序界面.....................369
8.5 OptimPID：最優PID 控制器設計程序........................373
8.5.1 控制系統的底層仿真模型............................373
8.5.2 OptimPID 程序舉例................................373
8.5.3 開放框架與程序擴展...............................376
8.6 習題................................................377
參考文獻.................................................379
第9 章魯棒控制與魯棒控制器設計...............................381
9.1 線性二次型Gauss 控制...................................382
9.1.1 線性二次型Gauss 問題..............................382
9.1.2 使用MATLAB 求解LQG 問題........................382
9.1.3 帶有回路傳輸恢復的LQG 控制........................386
9.2 魯棒控制問題的一般描述.................................390
9.2.1 小增益定理......................................390
9.2.2 魯棒控制器的結構.................................391
9.2.3 回路成型的一般描述...............................393
9.2.4 魯棒控制系統的MATLAB 描述........................394
9.3 基於範數的魯棒控制器設計................................397
9.3.1 H∞、H2 魯棒控制器設計方法.........................397
9.3.2 其他魯棒控制器設計函數............................402
9.4 線性矩陣不等式理論與求解................................406
9.4.1 線性矩陣不等式的一般描述..........................406
9.4.2 線性矩陣不等式問題的MATLAB 求解...................409
9.4.3 基於YALMIP 工具箱的最優化求解方法..................412
9.4.4 多線性模型的同時鎮定問題..........................413
9.4.5 基於LMI 的魯棒最優控制器設計.......................414
9.5 習題................................................415
參考文獻.................................................417
第10 章自適應與智能控制系統設計..............................419
10.1 自適應控制系統設計....................................420
10.1.1 模型參考自適應系統的設計與仿真.....................420
10.1.2 自校正控制器設計與仿真...........................425
10.2 自抗擾控制器.........................................429
10.2.1 擴張狀態觀測器的建模.............................430
10.2.2 自抗擾控制器的建模..............................431
10.2.3 自抗擾控制系統的仿真.............................432
10.3 模型預測控制系統.....................................434
10.3.1 動態矩陣控制...................................435
10.3.2 基於MATLAB 的模型預測控制實現....................437
10.3.3 預測控制的Simulink 仿真...........................442
10.3.4 廣義預測控制系統與仿真...........................444
10.4 模糊控制及模糊控制器設計...............................447
10.4.1 模糊邏輯與模糊推理..............................447
10.4.2 模糊PD 控制器設計...............................449
10.4.3 模糊PID 控制器設計..............................453
10.5 神經網絡及神經網絡控制器設計...........................456
10.5.1 神經網絡簡介...................................457
10.5.2 基於單個神經元的PID 控制器設計....................457
10.5.3 基於反向傳播神經網絡的PID 控制器...................460
10.5.4 基於徑向基函數的神經網絡PID 控制器.................462
10.6 疊代學習控制系統仿真..................................465
10.6.1 疊代學習控制原理................................465
10.6.2 疊代學習控制算法................................466
10.7 全局最優控制器設計....................................470
10.7.1 遺傳算法簡介...................................471
10.7.2 基於遺傳算法的最優化問題求解......................472
10.7.3 粒子群算法與其他全局最優化方法.....................473
10.7.4 基於全局優化算法的最優控制問題求解.................474
10.8 習題...............................................476
參考文獻.................................................479
第11 章分數階系統與無理系統分析與設計.........................483
11.1 分數階微積分定義與性質................................485
11.1.1 分數階微積分的定義..............................485
11.1.2 分數階微積分的性質..............................486
11.1.3 Mittag-Leffler 函數與計算...........................487
11.2 分數階微積分的數值計算................................489
11.2.1 用Grünwald–Letnikov 定義求解分數階微分..............489
11.2.2 Caputo 微積分定義的數值計算.......................491
11.2.3 Oustaloup 濾波算法及其應用........................493
11.2.4 Caputo 導數的濾波器近似...........................495
11.3 線性分數階微分方程的解析解方法..........................496
11.3.1 一類分數階線性系統時域響應解析解方法................496
11.3.2 一些重要的Laplace 變換公式........................497
11.3.3 同元次分數階線性微分方程的解析解法.................497
11.4 分數階微分方程的數值方法...............................499
11.4.1 零初值分數階線性微分方程的解法.....................499
11.4.2 非零初值Caputo 微分方程的數值求解..................501
11.4.3 非零初值非線性Caputo 微分方程的數值求解.............502
11.4.4 基於框圖的非線性分數階微分方程的通用框架............503
11.5 分數階傳遞函數建模與分析...............................508
11.5.1 分數階傳遞函數的數學模型..........................508
11.5.2 無理系統的傳遞函數..............................510
11.5.3 分數階系統與無理系統的分析........................511
11.5.4 狀態方程到無理傳遞函數矩陣的轉換...................515
11.5.5 分數階系統與無理系統的穩定性......................516
11.6 分數階PID 控制器設計..................................520
11.6.1 分數階PID 控制器的數學描述........................520
11.6.2 最優分數階PID 控制器設計.........................520
11.6.3 最優分數階PID 控制器的設計界面....................523
11.6.4 多變量系統的分數階PID 控制器設計...................525
11.7 習題...............................................526
參考文獻.................................................528
第12 章半實物仿真與實時控制..................................531
12.1 dSPACE 簡介與常用模塊................................532
12.2 Quanser 簡介與常用模塊.................................533
12.2.1 Quanser 常用模塊簡介.............................533
12.2.2 Quanser 旋轉運動控制系列實驗受控對象簡介.............535
12.3 半實物仿真與實時控制實例...............................536
12.3.1 受控對象的數學描述與仿真研究......................536
12.3.2 Quanser 實時控制實驗.............................538
12.3.3 dSPACE 實時控制實驗.............................540
12.4 習題...............................................542
參考文獻.................................................542
附錄A 常用受控對象的實際系統模型.............................543
A.1 著名的基準測試問題....................................543
A.1.1 F-14 戰鬥機中的控制問題...........................543
A.1.2 ACC 基準測試模型................................544
A.2 其他工程控制問題的數學模型..............................545
A.2.1 伺服控制系統模型.................................545
A.2.2 倒立擺問題的數學模型.............................546
A.2.3 AIRC 模型......................................547
A.3 習題................................................547
參考文獻.................................................548
附錄B 本書的控制器設計工具..................................549
B.1 本書設計的控制器模塊集.................................549
B.2 本書工具箱的安裝......................................550
附錄C 基於DeepSeek 的半自動編程..............................551
C.1 習題................................................555
參考文獻.................................................556
術語索引....................................................557
函數名索引..................................................569
