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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Guide47

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eAt70

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