MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計

前言

第1章 MATLAB基礎知識 1

1.1 MATLAB軟件入門 1

1.1.1 MATLAB軟件的特點 1

1.1.2 最新版MATLAB的新特點 1

1.1.3 MATLAB的系統(tǒng)結構 3

1.1.4 MATLAB的安裝 3

1.1.5 MATLAB的啟動 7

1.1.6 MATLAB的開發(fā)環(huán)境配置 7

1.1.7 MATLAB軟件桌面 7

1.1.8 Help幫助系統(tǒng) 14

1.2 MATLAB的程序設計 15

1.2.1 MATLAB的變量與數(shù)組 15

1.2.2 MATLAB的運算符 25

1.2.3 MATLAB的流程控制 29

1.2.4 M文件 33

1.2.5 文件I/O函數(shù) 36

1.3 MATLAB圖形圖像處理 44

1.3.1 二維圖形的繪制 44

1.3.2 三維曲線作圖 59

1.3.3 圖形用戶界面 62

1.3.4 MATLAB數(shù)字圖像處理 65

1.4 MATLAB應用—傅里葉變換 69

1.4.1 離散傅里葉變換 70

1.4.2 傅里葉變換 72

1.5 習題 75

1.6 上機實驗 76

實驗 熟悉MATLAB語言 76

第2章 MATLAB與外部程序的接口 80

2.1 常見的MATLAB混合編程方法 80

2.1.1 用MATLAB自帶的MATLAB Compiler 80

2.1.2 利用MATLAB引擎 81

2.1.3 利用ActiveX控件 81

2.1.4 利用MAT文件 81

2.1.5 利用MEX文件 82

2.1.6 利用Mideva 83

2.1.7 利用Matrix實現(xiàn)混合編程 83

2.1.8 MATLAB COM Builder 84

2.1.9 MATLAB和 Excel混合編程 84

2.2 Visual C 與MATLAB接口編程方法與實現(xiàn) 84

2.2.1 Visual C 與MATLAB接口方法 85

2.2.2 MATLAB編譯器 86

2.2.3 COM組件 86

2.2.4 Visual C 與MATLAB混合編程實例 87

2.3 MATLAB與C語言程序的應用編程接口 90

2.3.1 C語言的MEX文件的結構 90

2.3.2 使用C語言中的MEX文件 90

2.3.3 C語言實現(xiàn)MATLAB中M文件的方法 91

2.3.4 C語言與MATLAB的編程實例 95

2.4 Visual Basic與MATLAB混合編程 96

2.4.1 基礎知識 96

2.4.2 基本思路及實現(xiàn)方法 98

2.4.3 將MATLAB函數(shù)轉換為Visual Basic可用的DLL 99

2.5 MATLAB與Delphi的接口 101

2.5.1 采用數(shù)據中轉方式實現(xiàn)Delphi與MATLAB交流 101

2.5.2 基于DDE技術的動態(tài)數(shù)據交換 103

2.5.3 創(chuàng)建ActiveX對象實現(xiàn)數(shù)據交流 105

2.5.4 利用動態(tài)鏈接庫技術進行數(shù)據交流 106

2.5.5 利用Mideva編譯脫離MATLAB環(huán)境的動態(tài)鏈接庫 109

2.6 C Builder與MATLAB混合編程 109

2.6.1 DLL的使用 110

2.6.2 開發(fā)平臺Mediva的使用 111

2.7 在Word環(huán)境下使用MATLAB 113

2.7.1 安裝MATLAB Notebook 113

2.7.2 Notebook 的使用指令 114

2.8 LabVIEW與MATLAB混合編程 116

2.9 在MATLAB環(huán)境下實現(xiàn)對硬件資源的訪問 117

2.9.1 Windows環(huán)境下對硬件資源的訪問 118

2.9.2 MATLAB環(huán)境下MEX程序的設計 118

2.9.3 MATLAB環(huán)境下和MEX程序中的數(shù)據格式處理 119

2.10 基于MATLAB 的DSP 調試方法 121

2.10.1 MATLAB輔助DSP設計的方法 121

2.10.2 CCSLink的實現(xiàn)方式及工作原理 122

2.10.3 基于MATLAB 的DSP 調試方法 123

2.11 基于MATLAB的實時數(shù)據采集與分析 126

2.11.1 數(shù)據采集 126

2.11.2 數(shù)據采集工具箱介紹 126

2.11.3 數(shù)據采集過程 127

2.11.4 MATLAB的音頻信號處理工具 129

2.12 MATLAB與外部程序的應用—基于Visual C 與MATLAB的混合編程

實現(xiàn)圖像的三維顯示 130

2.12.1 MATLAB Add-in實現(xiàn)MATLAB與Visual C 的混合編程 130

2.12.2 三維顯示程序的創(chuàng)建 131

2.12.3 在主程序中完成對三維顯示程序的調用 132

2.13 習題 132

2.14 上機實驗 136

實驗 MATLAB與Visual C 混合編程 136

第3章 Simulink仿真 139

3.1 Simulink入門 139

3.1.1 Simulink的啟動和退出 140

3.1.2 Simulink窗口介紹 140

3.1.3 Simulink的常用模塊庫 140

3.2 Simulink模型的創(chuàng)建 144

3.2.1 Simulink模塊參數(shù)屬性設置 144

3.2.2 Simulink模塊的查找、選定與移動 144

3.2.3 Simulink模塊的復制與刪除 145

3.2.4 Simulink模塊幾何屬性的調整 145

3.2.5 創(chuàng)建新的Simulink模塊 146

3.2.6 創(chuàng)建Simulink模塊的連接 146

3.3 子系統(tǒng) 147

3.3.1 子系統(tǒng)的創(chuàng)建 148

3.3.2 子系統(tǒng)的封裝 148

3.3.3 條件子系統(tǒng) 149

3.3.4 Simulink仿真運行 150

3.3.5 Simulink調試 152

3.4 定制函數(shù)庫和S函數(shù) 153

3.4.1 函數(shù)庫的定制 153

3.4.2 S-Function的建立 153

3.5 Simulink命令集 154

3.6 Simulink仿真實例 156

3.7 同步電動機的Simulink仿真 159

3.7.1 同步電動機基本原理 160

3.7.2 仿真系統(tǒng)的總體設計 162

3.7.3 仿真系統(tǒng)的詳細設計 164

3.7.4 系統(tǒng)仿真運行 167

3.8 習題 168

3.9 上機實驗 169

實驗 熟悉GUI與Simulink 169

第4章 經典控制理論設計與仿真 175

4.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念 175

4.1.1 開環(huán)控制和閉環(huán)控制 175

4.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成和基本環(huán)節(jié) 177

4.1.3 自動控制系統(tǒng)的分類 178

4.1.4 自動控制系統(tǒng)的性能指標 179

4.2 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 181

4.2.1 系統(tǒng)的微分方程 181

4.2.2 控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 182

4.2.3 系統(tǒng)的動態(tài)框圖 182

4.3 系統(tǒng)數(shù)學模型的處理 184

4.3.1 多項式求根 184

4.3.2 傳遞函數(shù) 184

4.3.3 零極點模型 185

4.3.4 框圖 186

4.4 系統(tǒng)的瞬態(tài)響應分析 187

4.4.1 單位脈沖響應 187

4.4.2 單位階躍響應 188

4.4.3 單位斜坡響應 188

4.4.4 任意已知函數(shù)作用下系統(tǒng)的響應 189

4.5 根軌跡的繪制 190

4.6 系統(tǒng)的頻域分析 191

4.6.1 波特圖法 191

4.6.2 增益和相位裕度 193

4.6.3 奈奎斯特法 194

4.7 經典控制理論設計與仿真應用——控制系統(tǒng)的校正 196

4.7.1 相位超前校正 196

4.7.2 相位滯后校正 198

4.8 習題 200

4.9 上機實驗 200

實驗 經典控制系統(tǒng)分析 200

第5章 線性系統(tǒng)理論設計與仿真 203

5.1 離散控制系統(tǒng) 203

5.1.1 連續(xù)系統(tǒng)的離散化 203

5.1.2 求離散系統(tǒng)的響應 204

5.2 狀態(tài)空間模型 206

5.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性 213

5.4 線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析 214

5.4.1 能控性分析 216

5.4.2 能觀性分析 218

5.5 基于狀態(tài)空間模型的控制器設計方法 220

5.5.1 狀態(tài)空間表達式的若干基本概念以及狀態(tài)方程的解 220

5.5.2 狀態(tài)反饋極點配置控制器設計 222

5.5.3 狀態(tài)觀測器設計 224

5.5.4 基于狀態(tài)觀測器狀態(tài)反饋控制系統(tǒng) 226

5.6 倒立擺控制系統(tǒng) 228

5.7 習題 234

5.8 上機實驗 238

實驗 狀態(tài)空間極點配置控制 238

第6章 PID控制與仿真 248

6.1 PID控制原理 248

6.2 PID控制器設計 248

6.2.1 PID控制器的傳遞函數(shù) 249

6.2.2 PID控制器各參數(shù)對控制性能的影響 249

6.2.3 使用Ziegler-Nichols經驗整定公式進行PID控制器設計 250

6.3 數(shù)字PID控制 252

6.3.1 位置型PID控制算法 252

6.3.2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制 254

6.3.3 離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制 254

6.3.4 增量型PID控制算法 256

6.3.5 積分分離PID控制算法 258

6.3.6 抗積分飽和PID控制算法 259

6.3.7 梯形積分PID控制算法 261

6.3.8 變速積分PID控制算法 261

6.3.9 不完全微分PID控制算法 263

6.3.10 綜合實例 264

6.4 最少拍控制系統(tǒng)仿真 266

6.5 純滯后系統(tǒng)數(shù)字控制器的設計 268

6.6 PID控制算法的應用 270

6.7 習題 275

6.8 上機實驗 277

實驗 數(shù)字PID控制 277

第7章 最優(yōu)控制及仿真 279

7.1 概述 279

7.2 靜態(tài)優(yōu)化—函數(shù)的極值問題 287

7.2.1 無約束條件的函數(shù)極值問題 287

7.2.2 有約束條件的函數(shù)極值問題 290

7.3 用變分法解最優(yōu)控制—泛函極值問題 291

7.3.1 變分法基礎 291

7.3.2 無約束條件的泛函極值問題 292

7.3.3 有約束條件的泛函極值—動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題 294

7.4 極小值原理及其應用 297

7.4.1 連續(xù)系統(tǒng)的極小值原理 298

7.4.2 最短時間控制問題 302

7.4.3 最少燃料控制問題 302

7.5 線性系統(tǒng)二次型指標的最優(yōu)控制—線性二次型問題 302

7.5.1 線性二次型問題的提法 303

7.5.2 終端時間有限時連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)調節(jié)器問題 304

7.5.3 穩(wěn)態(tài)時連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)調節(jié)器問題 306

7.6 最優(yōu)控制的工具箱函數(shù) 307

7.7 用MATLAB解線性二次型最優(yōu)控制 312

7.8 用MATLAB解最優(yōu)控制問題 323

7.8.1 機械臂最優(yōu)路徑規(guī)劃 323

7.8.2 倒立擺系統(tǒng)的數(shù)字最優(yōu)控制器 327

7.8.3 不含積分環(huán)節(jié)的伺服系統(tǒng)設計 331

7.9 習題 333

7.10 上機實驗 334

實驗 單級倒立擺穩(wěn)定控制 334

第8章 智能控制仿真研究 340

8.1 神經網絡控制 340

8.1.1 BP神經網絡 340

8.1.2 RBF神經網絡 342

8.1.3 神經網絡控制理論 343

8.1.4 神經網絡控制設計 346

8.2 模糊控制 349

8.2.1 模糊控制的概念及產生 349

8.2.2 模糊控制規(guī)則 350

8.2.3 模糊控制方法及仿真 352

8.3 滑模控制 358

8.3.1 滑?？刂频幕靖拍?358

8.3.2 滑?？刂频膽?359

8.3.3 滑?？刂频姆椒?361

8.4 小波分析與小波變換 362

8.4.1 基礎知識 363

8.4.2 MATLAB中的小波分析工具箱 364

8.4.3 MATLAB小波分析工具箱中對象的應用 368

8.5 系統(tǒng)辨識及仿真 373

8.5.1 基礎知識 373

8.5.2 辨識三要素 375

8.5.3 參數(shù)估計的批量法 385

8.5.4 辨識原理 392

8.6 魯棒控制 396

8.6.1 系統(tǒng)不確定性 397

8.6.2 Kharitonov定理 398

8.6.3 H∞控制理論 399

8.6.4 H∞控制在MATLAB上的應用 401

8.7 習題 405

8.8 上機實驗 412

實驗 基于神經網絡的雙容水箱自適應PID控制實驗 412

參考文獻 4172100433B

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計》系統(tǒng)講解了MATLAB在控制工程中的應用，包括MATLAB基礎知識、MATLAB與外部程序的接口、Simulink仿真、經典控制理論設計與仿真、線性系統(tǒng)理論設計與仿真、PID控制與仿真、最優(yōu)控制及仿真和智能控制仿真研究。

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計》對函數(shù)的使用給出了詳細介紹，并配以相應仿真過程予以輔助說明，因此即使是初學者，也能很快學會操作；每章的最后都給出了與本章內容相關的實際應用仿真實例；在工程應用部分，從分析、建模和仿真3方面給出了較為詳細的解析過程，加深了讀者由理論過渡到實際應用的理解。

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設計》可作為自動控制、機械電子、機械制造、電氣、電子信息、汽車等專業(yè)的本科生教材或參考書。

《MATLAB控制系統(tǒng)設計與仿真》分兩篇，共10章。上篇為MATLAB程序設計基礎，主要介紹MATLAB的基礎知識、MATLAB數(shù)值運算、MATLAB符號運算、MATLAB程序設計。下篇為自動控制系統(tǒng)的MATLAB實現(xiàn)，主要介紹控制系統(tǒng)理論基礎、仿真環(huán)境Simulink的使用基礎、控制系統(tǒng)數(shù)學模型的MATLAB實現(xiàn)、控制系統(tǒng)分析、經典控制系統(tǒng)設計與仿真、現(xiàn)代控制系統(tǒng)設計與仿真。

《MATLAB控制系統(tǒng)設計與仿真》各章節(jié)之間既相互聯(lián)系又相互獨立，讀者可根據自己的需要選擇閱讀。《MATLAB控制系統(tǒng)設計與仿真》可作為高校理工科本科生和研究生的教學參考用書，也可供自動控制、計算機仿真及其相關領域的工程技術和研究人員參考。

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與實例詳解》從讀者角度出發(fā)，以實用、易懂為特點，貼近讀者的實際學習過程，充分滿足讀者的學習需求。

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與實例詳解》語言簡潔，敘述清晰，圖文并茂，實例豐富，是廣大讀者學習MATLAB的理想選擇。

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與實例詳解》通過大量的實際案例，對MATLAB7x的功能、操作及其在控制系統(tǒng)中的應用進行了細致的敘述，書中的大部分實例都經過了試驗和驗證，是作者多年來從事工程與科研項目的結晶。

內容深入淺出，實例豐富且具有代表性，實用性很強全面系統(tǒng)地介紹了MATLAB在各控制系統(tǒng)中的應用系統(tǒng)地講解了MATLAB7×中與控制工程相關的基礎工具箱函數(shù)。

《MATLAB控制系統(tǒng)仿真與實例詳解》詳細地講解了MATLAB7.x的功能與相關操作以及MATLAB在控制系統(tǒng)中的仿真應用?！禡ATLAB控制系統(tǒng)仿真與實例詳解》內容包括控制系統(tǒng)仿真基礎、MATLAB程序設計語言基礎、控制系統(tǒng)理論基礎、Simulink交互式仿真環(huán)境、控制系統(tǒng)建模、線性控制系統(tǒng)的分析與仿真、PID控制系統(tǒng)設計及仿真、最優(yōu)控制系統(tǒng)設計、魯棒控制系統(tǒng)設計、神經網絡系統(tǒng)設計及其MATLAB實現(xiàn)、模糊控制系統(tǒng)設計和系統(tǒng)辨識。