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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