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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方法概述 9

1.6 本书的基本结构和内容 11

1.7 习题 13

参考文献 14

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 21

2.2 基本数学运算 22

2.2.1 矩阵的代数运算 22

2.2.2 矩阵的逻辑运算 23

2.2.3 矩阵的比较运算 23

2.2.4 解析结果的化简与变换 24

2.2.5 基本数论运算 25

2.3 MATLAB语言的流程结构 26

2.3.1 循环结构 26

2.3.2 条件转移结构 28

2.3.3 开关结构 29

2.3.4 试探结构 30

2.4 函数编写与调试 30

2.4.1 MATLAB语言函数的基本结构 31

2.4.2 可变输入输出个数的处理 34

2.4.3 匿名函数与inline函数 34

2.5 二维图形绘制 35

2.5.1 二维图形绘制基本语句 35

2.5.2 其他二维图形绘制语句 38

2.5.3 隐函数绘制及应用 39

2.5.4 图形修饰 40

2.6 三维图形表示 42

2.6.1 三维曲线绘制 42

2.6.2 三维曲面绘制 42

2.6.3 三维图形视角设置 45

2.7 MATLAB图形用户界面设计技术 46

2.7.1 图形界面设计工具Guide 47

2.7.2 句柄图形学及句柄对象属性 48

2.7.3 菜单系统设计 53

2.7.4 界面设计举例与技巧 53

2.7.5 工具栏设计 57

2.7.6 ActiveX控件的应用简介 60

2.8 本章要点简介 61

2.9 习题 61

参考文献 64

第3章 科学运算问题的MATLAB求解 65

3.1 线性代数问题的MATLAB求解 66

3.1.1 矩阵的基本分析 66

3.1.2 矩阵的分解 68

3.1.3 矩阵指数eA和指数函数eAt 70

3.2 代数方程的MATLAB求解 70

3.2.1 线性方程求解问题及MATLAB实现 70

3.2.2 一般非线性方程的求解 73

3.2.3 非线性矩阵方程的MATLAB求解 75

3.3 常微分方程问题的MATLAB求解 78

3.3.1 一阶常微分方程组的数值解法 78

3.3.2 常微分方程的转换 80

3.3.3 微分方程数值解的验证 82

3.3.4 线性常微分方程的解析求解 83

3.4 最优化问题的MATLAB求解 84

3.4.1 无约束最优化问题求解 84

3.4.2 有约束最优化问题求解 85

3.4.3 最优曲线拟合方法 86

3.5 Laplace与z变换问题的MATLAB求解 88

3.5.1 Laplace变换 88

3.5.2 z变换 89

3.6 本章要点简介 90

3.7 习题 91

参考文献 96

第4章 线性控制系统的数学模型 97

4.1 线性连续系统模型及MATLAB表示 98

4.1.1 线性系统的传递函数模型 98

4.1.2 线性系统的状态方程模型 100

4.1.3 带有内部延迟的状态方程模型 102

4.1.4 线性系统的零极点模型 102

4.1.5 多变量系统的传递函数矩阵模型 103

4.2 线性离散时间系统的数学模型 104

4.2.1 离散传递函数模型 104

4.2.2 离散状态方程模型 105

4.3 系统模型的相互转换 106

4.3.1 连续模型和离散模型的相互转换 106

4.3.2 系统传递函数的获取 108

4.3.3 控制系统的状态方程实现 109

4.3.4 状态方程的最小实现 110

4.3.5 传递函数与符号表达式的相互转换 111

4.4 方框图描述系统的化简 112

4.4.1 控制系统的典型连接结构 112

4.4.2 节点移动时的等效变换 116

4.4.3 复杂系统模型的简化 117

4.4.4 方框图化简的代数方法 119

4.5 线性系统的模型降阶 121

4.5.1 Padé降阶算法与Routh降阶算法 121

4.5.2 时间延迟模型的Padé近似 125

4.5.3 带有时间延迟系统的次最优降阶算法 127

4.5.4 状态方程模型的降阶算法 130

4.6 线性系统的模型辨识 133

4.6.1 离散系统的模型辨识 133

4.6.2 辨识模型的阶次选择 137

4.6.3 离散系统辨识信号的生成 139

4.6.4 连续系统的辨识 141

4.6.5 多变量离散系统的辨识 142

4.6.6 离散系统的递推最小二乘辨识 143

4.7 本章要点小结 144

4.8 习题 145

参考文献 149

第5章 线性控制系统的计算机辅助分析 151

5.1 线性系统性质分析 152

5.1.1 线性系统稳定性的直接判定 152

5.1.2 线性反馈系统的内部稳定性分析 155

5.1.3 线性系统的线性相似变换 156

5.1.4 线性系统的可控性分析 157

5.1.5 线性系统的可观测性分析 159

5.1.6 Kalman规范分解 160

5.1.7 系统状态方程标准型的MATLAB求解 160

5.1.8 系统的范数测度及求解 164

5.2 线性系统时域响应解析解法 165

5.2.1 直接积分解析解方法 165

5.2.2 基于增广矩阵的解析解方法 165

5.2.3 基于Laplace变换、z变换的解析解方法 167

5.2.4 二阶系统的阶跃响应及阶跃响应指标 170

5.3 线性系统的数字仿真分析 172

5.3.1 线性系统的阶跃响应与脉冲响应 172

5.3.2 任意输入下系统的响应 176

5.3.3 非零初始状态下系统的时域响应 177

5.4 根轨迹分析 178

5.5 线性系统频域分析 183

5.5.1 单变量系统的频域分析 184

5.5.2 利用频率特性分析系统的稳定性 188

5.5.3 系统的幅值裕度和相位裕度 190

5.6 多变量系统的频域分析 191

5.6.1 多变量系统频域分析概述 191

5.6.2 多变量系统对角优势分析 193

5.6.3 多变量系统的奇异值曲线绘制 197

5.7 本章要点小结 197

5.8 习题 199

参考文献 203

第6章 非线性控制系统的建模与仿真 205

6.1 Simulink建模的基础知识 206

6.1.1 Simulink简介 206

6.1.2 Simulink下常用模块简介 207

6.1.3 Simulink下其他工具箱的模块组 212

6.2 Simulink建模与仿真 213

6.2.1 Simulink建模方法简介 213

6.2.2 仿真算法与控制参数选择 217

6.2.3 Simulink仿真举例 219

6.3 控制系统的Simulink建模与仿真实例 221

6.4 非线性系统分析与仿真 232

6.4.1 分段线性的非线性环节 232

6.4.2 非线性系统的极限环研究 235

6.4.3 非线性系统的线性化 236

6.5 子系统与模块封装技术 240

6.5.1 子系统概念及构成方法 240

6.5.2 模块封装方法 241

6.5.3 模块集构造 246

6.6 M-函数、S-函数编写及其应用 246

6.6.1 M-函数模块的基本结构 247

6.6.2 S-函数的基本结构 247

6.6.3 用MATLAB编写S-函数举例 248

6.6.4 S-函数的封装 253

6.7 本章要点小结 254

6.8 习题 255

参考文献 258

第7章 控制系统的经典设计方法 259

7.1 超前滞后校正器设计方法 260

7.1.1 串联超前滞后校正器 260

7.1.2 超前滞后校正器的设计方法 262

7.2 基于状态空间模型的控制器设计方法 266

7.2.1 状态反馈控制 266

7.2.2 线性二次型指标最优调节器 267

7.2.3 极点配置控制器设计 269

7.2.4 观测器设计及基于观测器的调节器设计 271

7.3 最优控制器设计 276

7.3.1 最优控制的概念 276

7.3.2 基于MATLAB/Simulink的最优控制程序及其应用 279

7.3.3 最优控制程序的其他应用 283

7.4 控制系统工具箱中的设计界面与应用 284

7.4.1 MATLAB控制器设计界面简介 284

7.4.2 单变量控制器参数自动整定举例 287

7.5 多变量系统的频域设计方法 290

7.5.1 对角占优系统与伪对角化 291

7.5.2 多变量系统的参数最优化设计 295

7.5.3 基于OCD的多变量系统最优设计 301

7.6 多变量系统的解耦控制 303

7.6.1 状态反馈解耦控制 303

7.6.2 状态反馈的极点配置解耦系统 305

7.7 本章要点小结 308

7.8 习题 308

参考文献 311

第8章 PID控制器的参数整定 313

8.1 PID控制器设计概述 314

8.1.1 连续PID控制器 314

8.1.2 离散PID控制器 315

8.1.3 PID控制器的变形 316

8.2 过程受控对象的一阶延迟模型近似 318

8.2.1 由响应曲线识别一阶模型 318

8.2.2 基于频域响应的近似方法 320

8.2.3 基于传递函数的辨识方法 320

8.2.4 最优降阶方法 321

8.3 FOPDT模型的PID控制器参数整定 322

8.3.1 Ziegler-Nichols经验公式 322

8.3.2 改进的Ziegler-Nichols算法 324

8.3.3 改进PID控制结构与算法 326

8.3.4 Chien-Hrones-Reswick参数整定算法 329

8.3.5 最优PID整定经验公式 330

8.3.6 基于FOPDT的PID控制器设计程序 332

8.4 其他受控对象模型的控制器参数整定 334

8.4.1 IPD模型的PD和PID参数整定 335

8.4.2 FOLIPD模型的PD和PID参数整定 335

8.4.3 不稳定FOPDT模型的PID参数整定 337

8.4.4 交互式PID类控制器整定程序界面 337

8.5 OptimPID——最优PID控制器设计程序 345

8.6 本章要点小结 349

8.7 习题 350

参考文献 351

第9章 鲁棒控制与鲁棒控制器设计 353

9.1 线性二次型Gauss控制 354

9.1.1 线性二次型Gauss问题 354

9.1.2 使用MATLAB求解LQG问题 354

9.1.3 带有回路传输恢复的LQG控制 358

9.2 鲁棒控制问题的一般描述 362

9.2.1 小增益定理 362

9.2.2 鲁棒控制器的结构 362

9.2.3 回路成型的一般描述 365

9.2.4 鲁棒控制系统的MATLAB描述 366

9.3 基于范数的鲁棒控制器设计 369

9.3.1 H∞、H2鲁棒控制器设计方法 369

9.3.2 其他鲁棒控制器设计函数 374

9.4 线性矩阵不等式理论与求解 379

9.4.1 线性矩阵不等式的一般描述 379

9.4.2 线性矩阵不等式问题的MATLAB求解 382

9.4.3 基于YALMIP工具箱的最优化求解方法 385

9.4.4 多线性模型的同时镇定问题 386

9.4.5 基于LMI的鲁棒最优控制器设计 387

9.5 定量反馈理论与设计方法 389

9.5.1 定量反馈理论概述 389

9.5.2 单变量系统的QFT设计方法 389

9.6 本章要点简介 396

9.7 习题 396

参考文献 397

第10章 自适应与智能控制系统设计 399

10.1 自适应控制系统设计 400

10.1.1 模型参考自适应系统的设计与仿真 400

10.1.2 自校正控制器设计与仿真 402

10.1.3 广义预测控制系统与仿真 407

10.2 模糊控制及模糊控制器设计 410

10.2.1 模糊逻辑与模糊推理 410

10.2.2 模糊PD控制器设计 411

10.2.3 模糊PID控制器设计 415

10.3 神经网络及神经网络控制器设计 420

10.3.1 神经网络简介 420

10.3.2 基于单个神经元的PID控制器设计 421

10.3.3 基于反向传播神经网络的PID控制器 423

10.3.4 基于径向基函数的神经网络的PID控制器 426

10.4 全局最优控制器设计 428

10.4.1 遗传算法简介 429

10.4.2 基于遗传算法的最优化问题求解 430

10.4.3 粒子群算法与最优化问题求解 433

10.4.4 基于全局优化算法的最优控制问题求解 434

10.5 本章要点简介 437

10.6 习题 438

参考文献 440

第11章 分数阶系统的分析与设计 443

11.1 分数阶微积分定义与数值计算 444

11.1.1 分数阶微积分的定义 444

11.1.2 函数分数阶微积分的数值计算 445

11.1.3 分数阶微积分的性质 447

11.1.4 Mittag-Leffler函数及其计算 447

11.2 分数阶微分方程的数值与解析解法 449

11.2.1 分数阶线性微分方程的数值解法 449

11.2.2 一些重要的Laplace变换公式 451

11.2.3 成比例分数阶线性微分方程的解析解法 452

11.2.4 一般分数阶微分方程的解析解法 453

11.3 分数阶传递函数模型与分析 453

11.3.1 FOTF—分数阶传递函数类的创建 454

11.3.2 FOTF对象的连接 455

11.3.3 FOTF对象的性质分析 457

11.3.4 FOTF对象的频域分析 460

11.3.5 FOTF对象的时域分析 461

11.3.6 成比例阶系统的根轨迹分析 462

11.3.7 成比例阶模型的分数阶状态方程表示 463

11.4 分数阶系统的模型近似与降阶 463

11.4.1 分数阶微分算子的Oustaloup近似与改进 463

11.4.2 分数阶控制器的整数阶近似 465

11.4.3 分数阶模型的最优整数阶降阶 467

11.5 分数阶非线性系统的框图仿真方法 468

11.6 最优分数阶PID控制器设计 470

11.6.1 PIλDμ控制器的最优设计方法 470

11.6.2 最优分数阶PID控制器设计用户界面 474

11.7 本章要点简介 475

11.8 习题 476

参考文献 477

第12章 半实物仿真与实时控制 479

12.1 dSPACE简介与常用模块 480

12.2 Quanser简介与常用模块 481

12.2.1 Quanser常用模块简介 481

12.2.2 Quanser旋转运动控制系列实验受控对象简介 483

12.3 半实物仿真与实时控制实例 484

12.3.1 受控对象的数学描述与仿真研究 484

12.3.2 Quanser实时控制实验 486

12.3.3 dSPACE实时控制实验 488

12.4 本章要点简介 489

12.5 习题 490

参考文献 490

附录A 常用受控对象的实际系统模型 491

A.1 著名的基准测试问题 491

A.1.1 F-14战斗机中的控制问题 491

A.1.2 ACC基准测试模型 492

A.2 其他工程控制问题的数学模型 493

A.2.1 伺服控制系统模型 493

A.2.2 倒立摆问题的数学模型 494

A.2.3 AIRC模型 495

A.3 思考与练习 495

参考文献 496

函数名索引 497

专业术语索引 503