MATLAB R2016a控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

第1章 MATLAB R2016a軟件介紹 1
1．1 MATLAB的功能特點(diǎn) 1
1．1．1 MATLAB的主要特性 1
1．1．2 MATLAB R2016a的新功能 3
1．2 MATLAB窗口介紹 5
1．2．1 啟動(dòng)MATLAB 5
1．2．2 命令窗口 6
1．2．3 當(dāng)前文件夾 8
1．2．4 工作空間 11
1．3 MATLAB基礎(chǔ)知識(shí) 12
1．3．1 常量與變量 12
1．3．2 矩陣與數(shù)組 14
1．4 MATLAB的控制流 16
1．4．1 循環(huán)結(jié)構(gòu) 16
1．4．2 選擇結(jié)構(gòu) 17
1．4．3 多選擇結(jié)構(gòu) 18
1．5 MATLAB的幫助系統(tǒng) 19
1．5．1 命令行幫助 19
1．5．2 幫助導(dǎo)航/瀏覽器 20
1．5．3 DEMO幫助系統(tǒng) 20
1．5．4 網(wǎng)絡(luò)資源幫助 21
第2章 MATLAB線性控制系統(tǒng)模型 22
2．1 控制系統(tǒng)概述 22
2．2 線性控制系統(tǒng)模型 23
2．2．1 線性連續(xù)系統(tǒng) 23
2．2．2 線性離散時(shí)間系統(tǒng) 28
2．2．3 系統(tǒng)模型的相互轉(zhuǎn)換 30
2．2．4 線性系統(tǒng)模型的降階 35
2．2．5 線性系統(tǒng)的辨識(shí) 46
2．3 系統(tǒng)模型間的轉(zhuǎn)換 58
2．4 系統(tǒng)模型間的連接 64
2．4．1 串聯(lián)方式 64
2．4．2 并聯(lián)方式 66
2．4．3 反饋方式 67
2．4．4 模型連接的綜合實(shí)現(xiàn) 69
第3章 MATLAB線性控制系統(tǒng)分析 72
3．1 線性系統(tǒng)穩(wěn)定性概述 72
3．1．1 系統(tǒng)穩(wěn)定的概念 72
3．1．2 系統(tǒng)穩(wěn)定的意義 72
3．1．3 系統(tǒng)特征多項(xiàng)式 73
3．1．4 系統(tǒng)穩(wěn)定的判定 73
3．2 線性系統(tǒng)性質(zhì)分析 73
3．2．1 直接判定 73
3．2．2 線性相似變換 77
3．2．3 線性判定的實(shí)現(xiàn) 79
3．3 MATLAB LTI Viewer穩(wěn)定性判定 80
3．4 線性系統(tǒng)的可控性與可觀測性 83
3．4．1 可控性 83
3．4．2 可觀測性 86
3．5 系統(tǒng)的范數(shù) 88
3．6 線性系統(tǒng)的數(shù)字仿真 89
3．6．1 線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 89
3．6．2 任選輸入下的系統(tǒng)響應(yīng) 95
3．6．3 非零初始狀態(tài)下系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng) 97
第4章 MATLAB時(shí)域分析 98
4．1 典型的時(shí)域分析 98
4．1．1 典型輸入信號 98
4．1．2 動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)過程 99
4．1．3 時(shí)域性能指標(biāo) 100
4．1．4 一階系統(tǒng)時(shí)域分析 101
4．1．5 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析求法 102
4．2 二階系統(tǒng)時(shí)域分析 103
4．2．1 二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 103
4．2．2 二階系統(tǒng)分類 103
4．2．3 欠阻尼二階系統(tǒng)的性能分析 104
4．2．4 二階系統(tǒng)的重要結(jié)論 104
4．3 高階系統(tǒng)分析 105
4．4 時(shí)域穩(wěn)定性分析 106
4．5 常用時(shí)域函數(shù) 107
4．6 時(shí)域分析的應(yīng)用實(shí)例 110
4．7 MATLAB圖形化時(shí)域分析 120
第5章 MATLAB根軌跡分析 124
5．1 根軌跡的基本概念 124
5．1．1 根軌跡方程 124
5．1．2 根軌跡圖的規(guī)則 125
5．1．3 根軌跡的性能 126
5．2 二階系統(tǒng)的根軌跡分析 127
5．3 根軌跡的MATLAB函數(shù) 127
5．3．1 繪制根軌跡 127
5．3．2 計(jì)算根軌跡增益 128
5．3．3 頻率網(wǎng)格 129
5．4 根軌跡的應(yīng)用實(shí)例 131
5．5 控制系統(tǒng)的校正方法 140
5．5．1 串聯(lián)校正 140
5．5．2 反饋校正 141
5．6 控制系統(tǒng)的根軌跡校正 141
5．6．1 根軌跡超前校正 142
5．6．2 根軌跡滯后校正 146
5．7 圖形化工具 150
第6章 MATLAB頻域分析 154
6．1 頻域分析的一般方法 154
6．1．1 頻率特性的概念 154
6．1．2 頻域分析法的特點(diǎn) 155
6．1．3 頻率特性的表示法 155
6．1．4 頻率特性的幾何表示法 156
6．1．5 頻域的性能指標(biāo) 157
6．1．6 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 157
6．2 頻率分析其他相關(guān)概念 164
6．3 頻域分析的系統(tǒng)性能分析 165
6．3．1 奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù) 165
6．3．2 Bode圖相對穩(wěn)定性分析 166
6．3．3 頻域閉環(huán)性能指標(biāo) 166
6．4 頻域分析的MATLAB函數(shù) 167
6．4．1 奈奎斯特圖 167
6．4．2 Bode圖 169
6．4．3 尼科爾斯圖 170
6．4．4 求取穩(wěn)定裕度 171
6．4．5 計(jì)算交叉頻率和穩(wěn)定裕度 173
6．4．6 網(wǎng)格線 174
6．5 頻域分析的應(yīng)用實(shí)例 175
6．6 頻域分析校正 182
6．6．1 頻域串聯(lián)超前校正 182
6．6．2 頻域滯后校正 189
6．6．3 頻域滯后-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控制的優(yōu)點(diǎn) 206
7．1．3 比例（P）控制 206
7．1．4 比例微分控制 208
7．1．5 積分控制 211
7．1．6 比例積分控制 214
7．1．7 比例積分微分控制 216
7．2 PID控制的設(shè)計(jì) 223
7．2．1 連續(xù)PID控制器 223
7．2．2 離散PID控制器 225
7．3 PID控制器參數(shù)整定法 227
7．3．1 Ziegler-Nichols整定法 227
7．3．2 改進(jìn)的Ziegler-Nichols算法 233
7．3．3 Cohen-Coon參數(shù)整定 238
7．3．4 最優(yōu)PID整定經(jīng)驗(yàn) 242
第8章 MATLAB非線性系統(tǒng)分析 246
8．1 非線性系統(tǒng)的其他相關(guān)概念 247
8．2 Simulink介紹 249
8．2．1 Simulink的特點(diǎn) 250
8．2．2 Simulink的啟動(dòng) 251
8．2．3 Simulink實(shí)例 252
8．3 非線性系統(tǒng)分析與仿真 253
8．3．1 相軌跡圖分析 253
8．3．2 函數(shù)法非線性系統(tǒng)分析 256
8．3．3 非線性定時(shí)/定常系統(tǒng) 260
8．3．4 飽和非線性環(huán)節(jié)仿真 261
8．3．5 死區(qū)非線性環(huán)節(jié)仿真 265
8．3．6 間隙非線性環(huán)節(jié)仿真 267
8．4 離散系統(tǒng) 268
8．4．1 差分方程法 269
8．4．2 Z變換 271
8．5 S-函數(shù) 275
8．5．1 S-函數(shù)的含義 275
8．5．2 S-函數(shù)模塊 276
8．5．3 S-函數(shù)模板 277
8．5．4 S-函數(shù)的實(shí)現(xiàn) 280
第9章 MATLAB狀態(tài)空間控制系統(tǒng)分析 285
9．1 狀態(tài)空間控制系統(tǒng)概述 285
9．2 狀態(tài)的基本概念 287
9．3 狀態(tài)空間方程 287
9．4 狀態(tài)空間表達(dá)式的標(biāo)準(zhǔn)型 288
9．4．1 對角標(biāo)準(zhǔn)型 288
9．4．2 約當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)型 289
9．4．3 能控標(biāo)準(zhǔn)型 291
9．4．4 能觀標(biāo)準(zhǔn)型 294
9．5 極點(diǎn)配置 296
9．5．1 單輸入系統(tǒng)的極點(diǎn)配置 297
9．5．2 多輸入系統(tǒng)的極點(diǎn)配置 298
9．5．3 極點(diǎn)配置的實(shí)例應(yīng)用 300
9．6 二次型最優(yōu)控制 309
9．6．1 無限時(shí)間LQ狀態(tài)調(diào)節(jié) 310
9．6．2 無限時(shí)間LQ輸出調(diào)節(jié) 312
9．6．3 離散二次型最優(yōu)控制 314
9．7 狀態(tài)反饋控制系統(tǒng) 316
9．7．1 全維狀態(tài)觀測器的控制器 317
9．7．2 全維狀態(tài)觀測器的調(diào)節(jié)器 318
第10章 MATLAB魯棒控制器分析 327
10．1 魯棒控制問題概述 327
10．1．1 小增益 327
10．1．2 標(biāo)準(zhǔn)魯棒性 328
10．1．3 控制概述 328
10．2 魯棒控制系統(tǒng)的MATLAB法 330
10．2．1 魯棒控制工具箱法 330
10．2．2 系統(tǒng)矩陣法 332
10．2．3 不確定系統(tǒng)法 333
10．3 范數(shù)魯棒控制器的設(shè)計(jì) 335
10．3．1 魯棒控制器的設(shè)計(jì) 335
10．3．2 魯棒控制器的實(shí)現(xiàn) 336
10．4 魯棒控制的其他函數(shù) 346
10．4．1 混合靈敏度函數(shù) 346
10．4．2 回路成型函數(shù) 348
10．4．3 分析的綜合魯棒控制器設(shè)計(jì) 351
10．5 線性矩陣不等式 353
10．5．1 線性不等式的描述 353
10．5．2 線性矩陣不等式的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 智能控制與傳統(tǒng)控制的比較 361
11．1．2 智能控制的主要方法 362
11．1．3 智能控制的研究熱點(diǎn) 362
11．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 362
11．2．1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述 362
11．2．2 神經(jīng)自適應(yīng)PID控制 365
11．2．3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制 365
11．3 三種典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 367
11．3．1 模型預(yù)測控制 367
11．3．2 反饋線性化控制 374
11．3．3 模型參考控制 377
11．4 模糊邏輯控制系統(tǒng) 382
11．4．1 模糊控制概述 382
11．4．2 帶PID功能的模糊控制器 387
11．5 MATLAB模糊邏輯工具箱的實(shí)現(xiàn) 388
11．5．1 模糊推理系統(tǒng)的基本類型 389
11．5．2 模糊邏輯工具箱函數(shù) 390
11．5．3 模糊推理的應(yīng)用實(shí)例 396
11．5．4 模糊邏輯工具箱圖形用戶界面 400
11．5．5 模糊邏輯系統(tǒng)模塊 407
11．5．6 模糊推理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 408
11．6 遺傳算法 415
11．6．1 遺傳算法概述 415
11．6．2 遺傳算法的實(shí)現(xiàn) 416
參考文獻(xiàn) 421