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本书以MATLAB R2016a为仿真平台，以控制系统为主线，以MATLAB为辅助工具，三者有机结合介绍控制系统的仿真设计，实用性强，内容丰富。本书主要内容包括MATLAB软件简介、线性控制系统模型、线性控制系统分析、时域分析、根轨迹分析、频域分析、PID控制器分析、非线性系统分析、状态空间控制系统分析、鲁棒控制器分析和智能控制分析。本书可作为控制工程、通信工程、电子信息工程领域广大科研人员、学者、工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校相关专业的教学用书。

目    录

第1章  MATLAB R2016a软件介绍	1
1.1  MATLAB的功能特点	1
1.1.1  MATLAB的主要特性	1
1.1.2  MATLAB R2016a的新功能	3
1.2  MATLAB窗口介绍	5
1.2.1  启动MATLAB	5
1.2.2  命令窗口	6
1.2.3  当前文件夹	8
1.2.4  工作空间	11
1.3  MATLAB基础知识	12
1.3.1  常量与变量	12
1.3.2  矩阵与数组	14
1.4  MATLAB的控制流	16
1.4.1  循环结构	16
1.4.2  选择结构	17
1.4.3  多选择结构	18
1.5  MATLAB的帮助系统	19
1.5.1  命令行帮助	19
1.5.2  帮助导航/浏览器	20
1.5.3  DEMO帮助系统	20
1.5.4  网络资源帮助	21
第2章  MATLAB线性控制系统模型	22
2.1  控制系统概述	22
2.2  线性控制系统模型	23
2.2.1  线性连续系统	23
2.2.2  线性离散时间系统	28
2.2.3  系统模型的相互转换	30
2.2.4  线性系统模型的降阶	35
2.2.5  线性系统的辨识	46
2.3  系统模型间的转换	58
2.4  系统模型间的连接	64
2.4.1  串联方式	64
2.4.2  并联方式	66
2.4.3  反馈方式	67
2.4.4  模型连接的综合实现	69
第3章  MATLAB线性控制系统分析	72
3.1  线性系统稳定性概述	72
3.1.1  系统稳定的概念	72
3.1.2  系统稳定的意义	72
3.1.3  系统特征多项式	73
3.1.4  系统稳定的判定	73
3.2  线性系统性质分析	73
3.2.1  直接判定	73
3.2.2  线性相似变换	77
3.2.3  线性判定的实现	79
3.3  MATLAB LTI Viewer稳定性判定	80
3.4  线性系统的可控性与可观测性	83
3.4.1  可控性	83
3.4.2  可观测性	86
3.5  系统的范数	88
3.6  线性系统的数字仿真	89
3.6.1  线性系统的阶跃响应	89
3.6.2  任选输入下的系统响应	95
3.6.3  非零初始状态下系统的时域响应	97
第4章  MATLAB时域分析	98
4.1  典型的时域分析	98
4.1.1  典型输入信号	98
4.1.2  动态与稳态过程	99
4.1.3  时域性能指标	100
4.1.4  一阶系统时域分析	101
4.1.5  线性系统的时域分析求法	102
4.2  二阶系统时域分析	103
4.2.1  二阶系统的数学模型	103
4.2.2  二阶系统分类	103
4.2.3  欠阻尼二阶系统的性能分析	104
4.2.4  二阶系统的重要结论	104
4.3  高阶系统分析	105
4.4  时域稳定性分析	106
4.5  常用时域函数	107
4.6  时域分析的应用实例	110
4.7  MATLAB图形化时域分析	120
第5章  MATLAB根轨迹分析	124
5.1 根轨迹的基本概念	124
5.1.1  根轨迹方程	124
5.1.2  根轨迹图的规则	125
5.1.3  根轨迹的性能	126
5.2  二阶系统的根轨迹分析	127
5.3  根轨迹的MATLAB函数	127
5.3.1  绘制根轨迹	127
5.3.2  计算根轨迹增益	128
5.3.3  频率网格	129
5.4  根轨迹的应用实例	131
5.5  控制系统的校正方法	140
5.5.1  串联校正	140
5.5.2  反馈校正	141
5.6  控制系统的根轨迹校正	141
5.6.1  根轨迹超前校正	142
5.6.2  根轨迹滞后校正	146
5.7  图形化工具	150
第6章  MATLAB频域分析	154
6.1  频域分析的一般方法	154
6.1.1  频率特性的概念	154
6.1.2  频域分析法的特点	155
6.1.3  频率特性的表示法	155
6.1.4  频率特性的几何表示法	156
6.1.5  频域的性能指标	157
6.1.6  典型环节的频率特性	157
6.2  频率分析其他相关概念	164
6.3  频域分析的系统性能分析	165
6.3.1  奈奎斯特稳定判据	165
6.3.2  Bode图相对稳定性分析	166
6.3.3  频域闭环性能指标	166
6.4  频域分析的MATLAB函数	167
6.4.1  奈奎斯特图	167
6.4.2  Bode图	169
6.4.3  尼科尔斯图	170
6.4.4  求取稳定裕度	171
6.4.5  计算交叉频率和稳定裕度	173
6.4.6  网格线	174
6.5  频域分析的应用实例	175
6.6  频域分析校正	182
6.6.1  频域串联超前校正	182
6.6.2  频域滞后校正	189
6.6.3  频域滞后-超前校正	196
第7章  PID控制器分析	205
7.1  PID控制概述	205
7.1.1  PID控制的基本原理	205
7.1.2  PID控制的优点	206
7.1.3  比例（P）控制	206
7.1.4  比例微分控制	208
7.1.5  积分控制	211
7.1.6  比例积分控制	214
7.1.7  比例积分微分控制	216
7.2  PID控制的设计	223
7.2.1  连续PID控制器	223
7.2.2  离散PID控制器	225
7.3  PID控制器参数整定法	227
7.3.1  Ziegler-Nichols整定法	227
7.3.2  改进的Ziegler-Nichols算法	233
7.3.3  Cohen-Coon参数整定	238
7.3.4  最优PID整定经验	242
第8章  MATLAB非线性系统分析	246
8.1  非线性系统的其他相关概念	247
8.2  Simulink介绍	249
8.2.1  Simulink的特点	250
8.2.2  Simulink的启动	251
8.2.3  Simulink实例	252
8.3  非线性系统分析与仿真	253
8.3.1  相轨迹图分析	253
8.3.2  函数法非线性系统分析	256
8.3.3  非线性定时/定常系统	260
8.3.4  饱和非线性环节仿真	261
8.3.5  死区非线性环节仿真	265
8.3.6  间隙非线性环节仿真	267
8.4  离散系统	268
8.4.1  差分方程法	269
8.4.2  Z变换	271
8.5  S-函数	275
8.5.1  S-函数的含义	275
8.5.2  S-函数模块	276
8.5.3  S-函数模板	277
8.5.4  S-函数的实现	280
第9章  MATLAB状态空间控制系统分析	285
9.1  状态空间控制系统概述	285
9.2  状态的基本概念	287
9.3  状态空间方程	287
9.4  状态空间表达式的标准型	288
9.4.1  对角标准型	288
9.4.2  约当标准型	289
9.4.3  能控标准型	291
9.4.4  能观标准型	294
9.5  极点配置	296
9.5.1  单输入系统的极点配置	297
9.5.2  多输入系统的极点配置	298
9.5.3  极点配置的实例应用	300
9.6  二次型最优控制	309
9.6.1  无限时间LQ状态调节	310
9.6.2  无限时间LQ输出调节	312
9.6.3  离散二次型最优控制	314
9.7  状态反馈控制系统	316
9.7.1  全维状态观测器的控制器	317
9.7.2  全维状态观测器的调节器	318
第10章  MATLAB鲁棒控制器分析	327
10.1  鲁棒控制问题概述	327
10.1.1  小增益	327
10.1.2  标准鲁棒性	328
10.1.3   控制概述	328
10.2  鲁棒控制系统的MATLAB法	330
10.2.1  鲁棒控制工具箱法	330
10.2.2  系统矩阵法	332
10.2.3  不确定系统法	333
10.3  范数鲁棒控制器的设计	335
10.3.1   鲁棒控制器的设计	335
10.3.2   鲁棒控制器的实现	336
10.4  鲁棒控制的其他函数	346
10.4.1  混合灵敏度函数	346
10.4.2  回路成型函数	348
10.4.3   分析的综合鲁棒控制器设计	351
10.5  线性矩阵不等式	353
10.5.1  线性不等式的描述	353
10.5.2  线性矩阵不等式的MATLAB求解	354
第11章  MATLAB智能控制分析	361
11.1  智能控制概述	361
11.1.1  智能控制与传统控制的比较	361
11.1.2  智能控制的主要方法	362
11.1.3  智能控制的研究热点	362
11.2  神经网络控制系统	362
11.2.1  神经网络概述	362
11.2.2  神经自适应PID控制	365
11.2.3  神经网络的智能控制	365
11.3  三种典型的神经网络控制系统	367
11.3.1  模型预测控制	367
11.3.2  反馈线性化控制	374
11.3.3  模型参考控制	377
11.4  模糊逻辑控制系统	382
11.4.1  模糊控制概述	382
11.4.2  带PID功能的模糊控制器	387
11.5  MATLAB模糊逻辑工具箱的实现	388
11.5.1  模糊推理系统的基本类型	389
11.5.2  模糊逻辑工具箱函数	390
11.5.3  模糊推理的应用实例	396
11.5.4  模糊逻辑工具箱图形用户界面	400
11.5.5  模糊逻辑系统模块	407
11.5.6  模糊推理系统的实现	408
11.6  遗传算法	415
11.6.1  遗传算法概述	415
11.6.2  遗传算法的实现	416
参考文献	421

前    言

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，是matrix＆laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的基本数据单位是矩阵，用于算法开发、数据可视化、数据分析，以及数值计算的高级技术计算语言和交互环境。Simulink是一种用于对多领域动态和嵌入式系统进行仿真和模型设计的图形化环境，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通信、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
控制系统仿真技术是利用地面仿真设备来研究飞行器控制系统动态性能的技术，是近几十年发展起来的，建立在控制理论、系统科学与辨识、计算机技术等学科上的综合性很强的实验科学技术。同时，仿真实验作为一种科学研究手段，具有不受设备和环境条件限制、不受时间和地点限制、投资小等优点而得到了人们越来越多的重视。为了进行控制系统的仿真研究，需要建立仿真系统，这就首先要确定系统模型并用仿真计算机和各种仿真设备（如运动模拟器、目标模拟器和环境模拟器等）来具体实现这个模型。这样建成的仿真系统可以重复使用。仿真设备具有通用性，既便于使用又便于维修，比飞行试验的成本低得多，因而仿真是研究和设计控制系统的一种有效方法。
在众多仿真软件中，适用于控制系统计算机辅助设计的有很多，但MATLAB以其模块化的计算方法、可视化与智能化的人机交互功能、以矩阵为计算单位、具有丰富的绘图功能、数据处理能力强等独特的特点，而成为控制系统设计和仿真领域最受欢迎的软件系统。
本书以MATLAB系统的分析和设计为对象，以MATLAB为工具，既介绍了控制系统的特点与分析方法，又介绍了利用MATLAB解决各种控制问题，做到了理论与实践相结合。结合目前市场需求，本书在编写上具有如下特点：
（1）以MATLAB为主线，内容紧扣自动控制原理。因此，本书既可以独立使用，也可以作为自动控制原理课程的辅助教材。
（2）理论与实践相结合。本书以控制系统设计的概念切入，利用MATLAB解决实际控制问题，做到理论与实践相结合，提高读者的动手能力。
（3）深入浅出，内容丰富。本书从控制系统仿真设计最基本的内容着手，逐渐深入各种控制问题，每个概念都有对应的典型实例。
（4）内容全，覆盖面广。本书内容非常全面，覆盖了大部分控制系统仿真问题，是一本不错的控制系统参考书。
全书共分为11章，主要以下包括。
第1章简单介绍了MATLAB R2016a，主要包括MATLAB的功能特点、工作环境、基础知识等内容。
第2章介绍了MATLAB线性控制系统模型，主要包括控制系统概述、线性控制系统模型、系统模型间的转换、系统模型间的连接等内容。
第3章介绍了MATLAB线性控制系统分析，主要包括线性系统稳定性概述、线性系统性质分析、线性系统的可控性与可观测性等内容。
第4章介绍了MATLAB时域分析，主要包括时域分析的方法、二阶系统时域分析、高阶系统分析等内容。
第5章介绍了MATLAB根轨迹分析，主要包括根轨迹的基本概念、根轨迹的MATLAB函数、控制系统的根轨迹校正方法等内容。
第6章介绍了MATLAB频域分析，主要包括频域分析的一般方法、频域分析的系统性能分析、频域分析校正等内容。
第7章介绍了PID控制器分析，主要包括PID控制概述、PID控制的设计、PID控制器参数整定法等内容。
第8章介绍了MATLAB非线性系统分析，主要包括非线性系统的其他相关概念、Simulink介绍、非线性系统分析与仿真、离散系统等内容。
第9章介绍了MATLAB状态空间控制系统分析，主要包括状态的基本概念、状态空间表达式的标准型、极点配置等内容。
第10章介绍了MATLAB鲁棒控制器分析，主要包括鲁棒控制问题概述、鲁棒控制系统的MATLAB法、范数鲁棒控制器的设计等内容。
第11章介绍了MATLAB智能控制分析，主要包括智能控制概述、神经网络控制系统、模糊逻辑控制系统、遗传算法等内容。
本书由邓奋发编著，参加编写的还有赵书兰、刘志伟、栾颖、王宇华、吴茂、方清城、李晓东、何正风、丁伟雄、李娅、辛焕平、杨文茵、顾艳春、张德丰。
本书可作为控制工程、通信工程、电子信息领域广大科研人员、学者、工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校相关专业的教学用书。
由于时间仓促，加之作者水平有限，错误和疏漏之处在所难免。在此，诚恳地期望得到各领域专家和广大读者的批评指正。

                                                           编 著 者

计算机/编程软件/MATLAB

邓奋发，男，大学教师，1992年毕业于华中师范大学数学系，精通ATLAB编程及其应用，有丰富的实践与写作经验。

本书针对MATLAB R2016a软件新版本，内容翔实，实例丰富。提供全书实例的程序源代码下载，便于读者学习。

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MATLAB R2016a控制系统设计与仿真