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目录 1

第一章 概述 1

1.1 控制系统简介 1

1.1.1 控制理论的发展 1

1.1.2 经典控制理论 2

1.1.3 现代控制理论 2

1.1.4 控制系统的计算机辅助设计 3

1.2 MATLAB 6.X中的控制产品集 4

1.2.1 概述 4

1.2.2 控制系统工具箱简介 4

1.2.3 Simulink 4.1产品介绍 5

1.2.4 其它控制相关产品 7

1.2.5 MATLAB 6.X开发控制系统流程 7

1.3 数学准备 8

1.3.1 微分方程的求解 8

1.3.2 差分方程的解 10

1.3.3 矩阵代数与矩阵运算 11

习题 15

第二章 控制系统的时域和频域描述 16

2.1 状态方程与时域描述 16

2.1.1 控制系统的状态空间描述 16

2.1.2 状态方程的创建 17

2.1.3 非线性系统的线性化 21

2.1.4 线性系统的解析解 22

2.1.5 线性系统的离散化 25

2.1.6 状态方程的数值积分 26

2.1.7 实例 27

2.2 传递函数与频域描述 32

2.2.1 线性系统的输入输出关系 32

2.2.2 Laplace变换 34

2.2.3 Laplace反变换 36

2.2.4 微分方程的解 38

2.2.5 卷积 39

2.2.6 Laplace变换与状态方程 40

2.2.7 系统传递函数矩阵与方框图实现 41

2.2.8 系统的频域仿真 44

2.2.9 Z变换与离散系统 45

习题 46

第三章 控制系统建模 48

3.1 简单机械系统的建模 48

3.1.1 弹簧振动系统的建模 48

3.1.2 摩托车缓冲系统的建模 49

3.2.1 单个蓄水槽的动态模型 52

3.2 简单流体系统的建模 52

3.2.2 双蓄水槽系统的模型建立 57

3.3 永磁体直流电机的建模 60

3.3.1 物理描述 60

3.3.2 数学模型 61

3.3.3 仿真分析 63

3.4 光源跟踪伺服系统的建模与系统分析 64

3.4.1 物理模型 64

3.4.2 数学模型 65

3.4.3 仿真分析 66

习题 72

第四章 控制系统的设计与仿真 74

4.1 系统建模与仿真框图的创建 74

4.1.1 问题描述 74

4.1.2 物理模型 78

4.1.3 时域仿真 78

4.1.4 模型转换 80

4.1.5 留数定理 81

4.1.6 频域仿真 81

4.1.7 仿真框图及系统建立 81

4.2 控制系统设计 84

4.2.1 经典比例控制器 85

4.2.2 状态反馈控制器 86

4.2.3 完全可控性 86

4.2.4 极点配置 88

4.2.5 带全观测器的状态反馈控制 89

4.2.6 完全可观性 91

4.2.7 观测器增益的确定 92

4.2.8 对偶系统 96

4.3 控制系统的时域仿真 96

4.3.1 经典比例控制器设计 97

4.3.2 状态反馈控制器 97

4.3.3 混合控制器 98

4.3.4 参考输入增益的调整 101

4.4 实例：倒摆系统的建模与仿真 102

4.4.1 引言 102

4.4.2 基本方程 103

4.4.3 非线性状态方程描述 104

4.4.4 线性状态方程描述 105

4.4.5 倒摆系统的MATLAB仿真 106

4.4.6 仿真程序源代码 115

习题 126

5.1.1 创建LTI模型对象 127

5.1 控制系统工具箱的使用 127

第五章 LTI系统的MATLAB辅助设计与仿真 127

5.1.2 设置LTI对象的属性 133

5.1.3 LTI模型之间的相互转换 134

5.1.4 Simulink中的LTI系统模块 135

5.1.5 LTI模型的运算 136

5.1.6 系统分析工具 137

5.1.7 模型属性的分析 138

5.2 LTI模型数组 141

5.2.1 基本概念 141

5.2.2 LTI数组的维数和形状 142

5.2.3 创建LTI数组 143

5.2.4 LTI数组的下标运用 144

5.2.5 LTI数组的相关运算 145

5.3 LTI系统分析和设计的图形操作环境 146

5.3.1 LTI观测器（LTI Viewer） 146

5.3.2 SISO系统设计工具（SISO Design Tool） 148

5.4 LTI控制系统的设计实例 150

5.4.1 LQG调节器的设计 150

5.4.2 Kalman滤波器的设计 156

习题 162

6.1.1 鲁棒控制工具箱简介 163

6.1 鲁棒控制工具箱介绍 163

第六章 鲁棒控制系统的计算机辅助设计与仿真 163

6.1.2 系统的分层数据结构表示 164

6.2 鲁棒控制系统概述 166

6.2.1 奇异值、H2和H∞范数 166

6.2.2 标准的鲁棒控制问题 167

6.2.3 结构与非结构不确定性 168

6.2.4 鲁棒控制分析 168

6.2.5 系统鲁棒分析 171

6.3 鲁棒控制系统的设计方法 173

6.3.1 概述 173

6.3.2 H2和H∞设计方法 174

6.3.3 奇异值回路设计：混合灵敏方法 175

6.3.4 μ综合问题 178

6.3.5 双线性变换与鲁棒控制系统设计 180

6.4 鲁棒控制系统设计实例 181

6.4.1 二阶系统的经典回路设计与H∞综合 181

6.4.2 双积分系统的H∞鲁棒设计 185

6.4.3 弹簧振动系统的双线性变换与H∞鲁棒控制 186

6.4.4 弹簧振动系统鲁棒控制器的μ综合方法 188

习题 190

7.2.1 阶跃响应模型 191

7.2 基于阶跃响应的模型预测控制 191

7.1 模型预测控制工具箱概述 191

第七章 模型预测控制系统的计算机辅助设计 191

7.2.2 模型辨识 193

7.2.3 无约束模型预测控制 195

7.2.4 闭环回路分析 198

7.2.5 有约束的模型预测控制 199

7.3 基于状态空间模型的模型预测控制 200

7.3.1 MPC表示的状态空间模型 200

7.3.2 基于状态空间模型的无约束MPC设计 203

7.3.3 基于状态空间模型的有约束MPC设计 205

习题 207

8.1.1 问题提出 208

8.1.2 模型描述 208

第八章 控制系统应用设计与仿真实例 208

8.1 汽车运动控制系统的设计 208

8.1.3 PID控制器设计 209

8.1.4 根轨迹设计方法 211

8.2 跷跷板控制系统的设计 213

8.2.1 系统模型 213

8.2.2 全状态反馈控制器的设计 216

8.2.3 数字控制器的设计和实现 218

8.3.2 系统设计 220

8.3 直流（DC）电机调速系统的计算机辅助设计 220

8.3.1 问题描述 220

8.4 电磁驱动水压伺服机构的根轨迹设计 225

8.4.1 问题描述 225

8.4.2 打开SISO设计工具 226

8.4.3 增大系统的增益 226

8.4.4 增加控制器的零极点 227

8.4.5 系统的阻尼比约束 229

习题 230

A.1 基本命令 232

附录A MATLAB 6.X常用命令 232

A.2 常用函数 233

A.3 控制工具箱函数 234

附录B MathWorks Release 12.1的新特点 241

B.1 Release 12.1版本中的新产品 241

B.1.1 Release 12.1中的全新产品 241

B.1.2 Release 12.1中产品的更新 241

B.2 MATLAB 6.1新特性 245

B.3 Simulink 4.1新特性 246

附录C 各章习题答案 247

参考文献 250