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王敏 著

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• 控制系统原理
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• 自动控制
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• 数学模型
• 系统分析
• 控制工程

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121217746

商品编码：29708825124

包装：平装

出版时间：2014-01-01

基本信息

书名:控制系统原理与MATLAB仿真实现

定价：39.80元

售价：27.1元,便宜12.7元,折扣68

作者:王敏

出版社：电子工业出版社

出版日期：2014-01-01

ISBN：9787121217746

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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本书大部分内容和实例在教学实践中做过实验和验证。

内容提要

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本书以先进计算机仿真软件MATLAB/Simulink在自动控制中的应用为编写宗旨，结合日常的教学和科研工作进行编撰。内容包括两大部分：部分介绍MATLAB用于控制系统计算及仿真的有关知识；第二部分内容涵盖经典控制理论和现代控制理论的系统仿真。全书共分9章，包括：系统仿真的基本概念、MATLAB/Simulink的基本内容及使用方法、控制系统的数学模型及其转换、控制系统根轨迹、时域和频域的分析与校正、控制系统状态空间的分析与设计和控制系统的联合仿真。每个章节先对与自动控制有关的基本概念进行简要介绍，然后介绍MATLAB相关函数，并从实用的角度出发，通过大量典型样例，对MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自动控制中的应用进行详细论述。大部分内容和例子，已在本科生有关控制理论与控制工程的教学实践中做过实验和验证。

目录

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章 概述
1.1 控制系统的研究方法
1.1.1 控制理论的发展
1.1.2 经典控制理论
1.1.3 现代控制理论
1.2 控制系统仿真的基本概念
1.2.1 控制系统的实验方法
1.2.2 模型的建立及分类
1.2.3 仿真实验的分类
1.2.4 数字仿真
1.3 控制系统仿真软件及过程
1.3.1 仿真软件
1.3.2 MATLAB仿真的优越性
1.3.3 仿真过程
1.4 仿真技术的应用及发展
1.4.1 仿真技术在工程中的应用
1.4.2 应用仿真技术的意义
1.4.3 仿真技术的发展趋势
小结
习题
第2章 MATLAB基础知识
2.1 MATLAB数据结构
2.1.1 数值型和逻辑型数据
2.1.2 字符和字符串型数据
2.1.3 结构体型数据
2.2 MATLAB基本控制流程
2.2.1 顺序结构
2.2.2 选择结构
2.2.3 循环结构
2.2.4 分支语句与其他流程控制语句
2.3 MATLAB的M函数设计
2.3.1 M函数的基本结构
2.3.2 M脚本式文件与M函数式文件的区别
2.3.3 M函数中的变量类型
2.3.4 M函数的跟踪调试
2.4 MATLAB的图形绘制
2.4.1 绘制二维图形
2.4.2 绘制三维图形
2.5 MATLAB的图形用户界面设计
小结
习题
第3章 Simulink交互式仿真集成环境
3.1 Simulink仿真概述
3.1.1 初识Simulink
3.1.2 在Simulink下工作
3.1.3 Simulink工作原理
3.2 Simulink模块及处理
3.2.1 Simulink模块库
3.2.2 Simulink模块处理
3.3 Simulink仿真设置
3.3.1 求解器设置面板
3.3.2 数据导入/导出面板
3.3.3 优化面板
3.3.4 诊断面板
3.4 子系统与模块封装技术
3.4.1 模型子系统
3.4.2 模块封装技术
3.4.3 自定义模型库
3.5 S-函数设计与应用
3.5.1 用m语言编写S-函数
3.5.2 用C语言编写S-函数
小结
习题
第4章 控制系统的数学模型
4.1 几种常用数学模型
4.1.1 传递函数模型
4.1.2 零极点增益模型
4.1.3 部分分式模型
4.1.4 状态空间模型
4.1.5 MATLAB/Simulink在数学模型建立中的应用
4.2 数学模型的相互转换
4.2.1 由传递函数求状态空间表达式
4.2.2 由状态空间表达式求传递函数
4.2.3 MATLAB/Simulink在数学模型转换中的应用
4.3 数学模型的连接
4.3.1 串联连接
4.3.2 并联连接
4.3.3 反馈连接
4.3.4 MATLAB/Simulink在数学模型连接中的应用
小结
习题
第5章 控制系统的时域分析
5.1 系统的稳定性分析
5.2 时域响应分析
5.2.1 系统的动态过程与稳态过程
5.2.2 时域内系统的主要性能指标
5.2.3 系统的时域响应分析
5.3 MATLAB/Simulink在时域分析中的应用
5.3.1 MATLAB/Simulink在控制系统建模中的应用
5.3.2 基于MATLAB的稳定性判断方法
5.3.3 MATLAB/Simulink在系统动态特性分析中的应用
5.3.4 MATLAB/Simulink在求取系统稳态特性中的应用
5.4 LTI Viewer在时域分析中的应用
5.4.1 LTI Viewer命令栏主要命令介绍
5.4.2 LTI Viewer的应用实例
小结
习题
第6章 控制系统的根轨迹分析
6.1 根轨迹法基本概念
6.1.1 根轨迹方程
6.1.2 绘制根轨迹的基本法则
6.2 其他形式的根轨迹
6.2.1 参数根轨迹
6.2.2 零度根轨迹
6.3 MATLAB/Simulink在根轨迹分析中的应用
6.3.1 绘制根轨迹的函数
6.3.2 计算根轨迹增益函数
6.3.3 绘制含阻尼系数和自然频率栅格线的系统根轨迹
6.4 根轨迹分析与设计工具rltool
6.4.1 rltool根轨迹设计窗口界面简介
6.4.2 命令菜单简介
小结
习题
第7章 控制系统的频域分析与校正
7.1 频率特性基本概念
7.1.1 系统的表示
7.1.2 频率特性定义
7.1.3 矢量表示
7.2 频率特性的表示方法
7.2.1 极坐标频率特性曲线
7.2.2 对数频率特性曲线
7.2.3 对数幅相特性曲线
7.3 频率分析法
7.3.1 开环极点与闭环极点的关系
7.3.2 频域稳定性判据
7.4 频率法稳定性分析
7.4.1 小相位系统
7.4.2 原点处有开环极点的情况
7.4.3 非小相位系统
7.5 MATLAB/Simulink在频域分析中的应用
7.5.1 频域分析的基本原理
7.5.2 MATLAB进行频域分析的方法
7.5.3 实例分析
7.6 MATLAB/Simulink在频域校正中的应用
7.6.1 相位超前校正
7.6.2 相位滞后校正
7.6.3 滞后-超前校正
7.6.4 串联PID校正
小结
习题
第8章 控制系统状态空间分析与设计
8.1 线性系统状态空间基础
8.1.1 状态空间的基本概念
8.1.2 状态空间表达式的标准形式
8.1.3 MATLAB/Simulink在状态空间表达式中的应用
8.2 状态空间表达式的解
8.2.1 连续系统状态方程的解
8.2.2 线性定常连续系统状态空间表达式的离散化
8.2.3 离散系统状态方程的解
8.2.4 MATLAB/Simulink在状态空间表达式求解中的应用
8.3 线性系统的状态能控性与能观性
8.3.1 线性定常连续系统状态能控性
8.3.2 线性定常连续系统状态能观性
8.3.3 离散系统状态能控性、能观性
8.3.4 MATLAB/Simulink在系统能控性、能观性分析中的应用
8.4 线性系统稳定性分析
8.4.1 概述
8.4.2 Lyapunov稳定性定理
8.4.3 Lyapunov稳定性分析
8.4.4 MATLAB/Simulink在线性系统稳定性分析中的应用
8.5 线性系统状态空间设计
8.5.1 线性反馈控制系统的基本结构
8.5.2 极点配置
8.5.3 状态观测器
8.5.4 MATLAB/Simulink在状态空间分析和设计中的应用
小结
习题
第9章 控制系统的联合仿真
9.1 基于S-函数的仿真扩展
9.1.1 硬件在回路的仿真扩展
9.1.2 网络分布式仿真的扩展
9.2 基于虚拟样机的联合仿真
9.2.1 虚拟样机技术
9.2.2 联合仿真的步骤
9.2.3 球棒系统的联合仿真
小结
习题
附录A
附录B
参考文献

作者介绍

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王敏，西北工业大学明德学院机电系专职老师，主讲MATLAB在控制系统仿真中的应用、现代控制理论和自动控制原理等几门课程，参与“基于Gabor小波的多尺度空间理论车牌号识别研究”并负责建立模型，对控制系统的MATLAB仿真具有丰富的实践经验。

文摘

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序言

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《现代控制理论方法与工程应用》 内容简介 本书旨在全面深入地探讨现代控制理论的核心概念、关键方法及其在各类工程领域的广泛应用。我们致力于构建一个清晰、严谨而又富有实践指导意义的学习框架，帮助读者从基础理论出发，逐步掌握复杂系统的分析与设计能力，并能熟练运用前沿的工程工具实现系统控制。 第一部分：现代控制理论基础 本部分将从基础概念入手，为读者构建坚实的理论基石。 系统建模： 我们将详细介绍如何将现实世界的物理系统转化为数学模型。这包括对不同类型系统的表征，如线性定常（LTI）系统、线性时变（LTV）系统以及非线性系统。我们将重点讲解状态空间表示法，这是现代控制理论的核心工具，通过一组一阶微分方程（或差分方程）来描述系统的内部状态和外部输入输出关系。读者将学习如何从物理方程（如牛顿定律、电路方程、流体力学方程等）导出状态空间模型，以及如何处理传递函数模型与状态空间模型之间的转换。此外，还将涉及系统的基本性质分析，如因果性、稳定性、可控性与可观测性等。 稳定性分析： 稳定性是控制系统设计中最重要的考量因素之一。本部分将深入阐述各种稳定性判据。对于线性系统，我们将详细介绍李雅普诺夫稳定性理论，包括直接法和间接法，并通过求解李雅普诺夫方程来判别系统的稳定性。我们还将介绍代数稳定性判据，如劳斯-霍尔维茨判据和奈奎斯特判据，它们能够直接从系统的特征方程或开环传递函数中获得稳定性信息。对于非线性系统，我们将探讨其局部稳定性和全局稳定性，并介绍一些常用的稳定性分析工具，如李雅普诺夫函数的设计方法和相平面分析。 时域与频域分析： 时域分析侧重于系统响应随时间的变化，而频域分析则关注系统对不同频率输入的响应特性。本部分将详细介绍这些分析方法。在时域，我们将讨论单位阶跃响应、冲激响应等典型输入下的系统行为，并介绍如何通过系统参数（如阻尼比、固有频率、时间常数）来评估系统的动态性能指标，如超调量、调节时间、峰值时间等。在频域，我们将详细讲解幅频特性和相频特性曲线（波特图），以及它们在分析系统频率响应、判断系统稳定性以及设计控制器中的应用。我们将介绍如何通过幅值裕度和相位裕度来量化系统的稳定性储备。 状态反馈控制： 状态反馈是一种强大的控制技术，它利用系统的内部状态信息来设计控制器，从而实现期望的系统性能。本部分将深入探讨状态反馈的设计原理。我们将学习如何通过配置系统极点（特征值）来任意配置闭环系统的动态特性，并介绍极点配置法的具体实现步骤。我们将详细推导状态反馈增益矩阵的计算方法，并讨论不同配置极点对系统性能的影响。此外，我们还将介绍状态观测器的概念和设计，它允许我们在无法直接测量所有状态变量的情况下，通过输出信息来估计系统的内部状态，从而实现基于状态观测器的反馈控制。 第二部分：先进控制理论与方法 本部分将在此基础上，引入更高级的控制理论和方法，以应对更复杂的工程挑战。 PID 控制器设计与整定： PID（比例-积分-微分）控制器是工业界最广泛应用的控制器类型。本部分将详细阐述PID控制器的原理，包括比例、积分和微分作用如何影响系统响应。我们将深入探讨PID参数的整定方法，从经典的经验方法（如齐格勒-尼克斯法）到更现代的自适应整定和模型预测控制辅助整定。我们将详细分析不同整定方法在不同系统类型和性能要求下的适用性，并提供实践建议。 最优控制理论： 最优控制旨在找到一个控制律，使得某个性能指标（代价函数）达到最小值或最大值。本部分将详细介绍最优控制的基本原理，包括变分法和庞特里亚金最大值原理。我们将重点讲解线性二次调节器（LQR）问题，它在给定线性系统和二次型代价函数的情况下，能够找到最优的线性状态反馈增益。读者将学习如何构建LQR问题，求解代数黎卡提方程，并分析LQR控制器在提升系统性能和鲁棒性方面的优势。 模型预测控制（MPC）： 模型预测控制是一种高级控制策略，它利用系统的动态模型来预测未来一段时间的系统行为，并在每个采样时刻，基于预测结果计算出一系列最优的控制序列，并只施加第一个控制量。本部分将详细介绍MPC的原理，包括预测模型、代价函数、约束处理以及滚动优化。我们将阐述MPC如何处理多输入多输出（MIMO）系统、约束系统以及具有复杂动态特性的系统。读者将了解MPC在化工、能源、汽车等领域的广泛应用，并学习其基本设计思路。 鲁棒控制理论： 鲁棒控制关注的是如何设计控制器，使其在系统模型不确定性或外部干扰存在的情况下，仍能保持令人满意的性能。本部分将介绍几种主要的鲁棒控制方法。我们将探讨H-无穷（H∞）控制，它旨在最小化系统在最坏情况下的增益，从而实现性能的鲁棒性。我们还将简要介绍μ-分析与综合，这是处理结构化不确定性的强大工具。读者将了解这些方法如何量化不确定性，以及如何设计能够抵抗这些不确定性的控制器。 非线性控制策略： 许多实际工程系统本质上是非线性的，线性控制方法在这些系统上可能表现不佳。本部分将介绍一些处理非线性系统的基本策略。我们将简要介绍反馈线性化方法，它尝试将非线性系统转化为等效的线性系统，然后再应用线性控制技术。我们还将探讨李雅普诺夫稳定性理论在非线性系统控制中的应用，以及一些常用的非线性控制器设计方法，如滑模控制和模糊逻辑控制。 第三部分：控制系统工程实现与应用 本部分将重点关注如何将理论知识转化为实际的工程解决方案，并介绍控制系统在不同领域的典型应用。 数字控制系统： 随着计算机技术的飞速发展，数字控制系统已成为主流。本部分将详细介绍数字控制系统的基本原理，包括采样、量化、数字控制器设计以及数字控制器与模拟控制器之间的关系。我们将讨论采样定理，讲解零阶保持器及其对系统频率响应的影响，并介绍数字域的控制器设计方法，如双线性变换法和脉冲不变法。 多输入多输出（MIMO）系统控制： 许多复杂的工程系统都具有多个输入和多个输出，需要采用MIMO控制技术。本部分将介绍MIMO系统的分析与设计方法。我们将讨论MIMO系统的状态空间表示，并介绍解耦控制、反馈解耦以及模型预测控制在MIMO系统中的应用。 控制系统仿真与实现： 理论研究的最终目的是为了实际应用，仿真和实现是关键环节。本部分将详细介绍如何利用现代工程软件进行控制系统的仿真分析与实现。我们将通过具体的工程案例，演示如何建立系统模型、设计控制器、进行仿真验证，以及将控制器部署到实际硬件中。我们将探讨仿真工具的常用功能，如模型构建、参数调整、性能指标评估以及代码生成等。 工程应用实例分析： 为了加深读者对控制理论与方法的理解，本部分将提供一系列在不同工程领域中的典型应用案例。这些案例将涵盖： 航空航天： 飞行器姿态控制、导航与制导系统。 机器人技术： 机器人关节控制、路径规划与轨迹跟踪。 工业自动化： 过程控制（如温度、压力、流量控制）、生产线自动化。 汽车工程： 巡航控制、发动机管理系统、电子稳定程序（ESP）。 电力系统： 发电机励磁控制、电网稳定性控制。 生物医学工程： 人工胰腺系统、假肢控制。 通过对这些案例的深入剖析，读者将能够看到控制理论在解决实际工程问题中的强大力量，并学习如何根据具体的应用需求，选择和设计合适的控制策略。 本书力求理论与实践并重，将抽象的数学概念与生动的工程实例相结合，通过清晰的逻辑结构和详实的论述，帮助读者构建完整的控制系统知识体系，并具备解决实际工程问题的能力。无论是初学者还是有一定基础的工程师，都能从本书中受益，掌握现代控制理论的精髓，并将其灵活应用于自身的工程实践中。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格真是充满了一种老派的、不妥协的学术严谨性，但同时又偶尔流露出一种对读者的体贴。例如，在涉及李雅普诺夫稳定性分析那样的抽象概念时，作者的处理方式非常巧妙。他们没有直接跳入复杂的微分方程证明，而是先构建了一个“能量函数”的直观比喻，仿佛在说服读者：“看，我们引入这个复杂的数学工具，仅仅是为了量化这个系统‘能量’的衰减过程。”这种“以形带神”的引导，极大地缓解了读者在面对高维线性代数和微分方程组时的畏惧感。不过，我也发现，这种深度也带来了一定的挑战性。对于基础知识掌握不太牢固的读者来说，可能需要在前后章节之间反复跳跃查阅定义，因为作者默认你已经对某些高级数学工具（比如矩阵的特征值分解）有一定的熟悉度。总而言之，它更像是一位经验丰富、知识渊博的导师，他不会全程牵着你的手，但当你主动向他求教时，他总能提供最精辟、最本质的解答，要求读者必须保持高度的专注和主动性。

评分☆☆☆☆☆

这本《[书名]》的装帧设计着实让人眼前一亮，封面简洁大气，配色沉稳又不失现代感，一下子就给人一种专业、严谨的学术书籍的印象。内页的纸张质量也相当不错，触感细腻，字迹清晰锐利，长时间阅读下来眼睛也不会感到疲劳，这对于理工科的学习资料来说至关重要。不过，说实话，我更关注的是书籍的内在逻辑和内容的深度。翻阅目录时，我发现它对基础理论的梳理非常系统，从最基本的反馈控制概念，到经典控制理论的深入剖析，再到现代控制的初步介绍，脉络清晰得像是为初学者量身定做的向导图。我特别欣赏它在概念引入上的方式，不是生硬地抛出复杂的数学公式，而是先通过工程背景或实际现象来铺垫，让人很容易理解“为什么需要这个理论”以及“它能解决什么问题”。这种由浅入深的编排，极大地降低了初学者的入门门槛，让人感觉学习过程是层层递进、水到渠成的，而不是囫囵吞枣。整体来看，这本书在“外观”和“基础架构”上，无疑是下了大功夫的，为后续内容的学习打下了坚实的心理和视觉基础。

评分☆☆☆☆☆

我必须提一下书中关于“系统辨识”这一部分的编排，这简直是点睛之笔，将理论与实际的“数据世界”连接了起来。在很多控制理论教材中，系统辨识往往被轻描淡写地带过，仿佛我们总能拿到一个完美无缺的系统模型。但这本书却花费了相当大的篇幅去讨论如何从噪声干扰严重、采样不规律的真实世界数据中“挖掘”出系统的动态特性。它详细对比了时域辨识方法和频域辨识方法的优缺点，尤其是对各种模型结构的选取标准给出了非常实用的判断依据。我个人最感兴趣的是它关于“模型结构合理性”的讨论——即如何在模型复杂度（模型拟合度）和工程可解释性之间找到一个最佳平衡点。书中提出的几个小案例分析，虽然篇幅不长，但对理解如何处理测量误差和环境扰动对模型辨识带来的偏差，起到了极大的启发作用。这部分内容完全超越了基础教学的范畴，直接触及了实际工程项目中的核心痛点。

评分☆☆☆☆☆

这本书的整体设计理念似乎是围绕着“将理论‘工程化’、将仿真‘可视化’”这一核心目标展开的。从排版上看，它极力避免了那种密密麻麻的纯文字堆砌，而是通过大量精心绘制的系统框图、信号流图以及重要的数学推导流程图，有效地打破了视觉上的沉闷。每一次引入一个新的控制策略，作者都会立即配上一张清晰的结构图，让读者能够立刻在脑海中建立起一个“输入-处理-输出”的动态回路印象。这种图文并茂的呈现方式，极大地提高了信息传递的效率，使得原本抽象的控制流程变得具体可感。此外，书中对理论的阐述并不止步于数学描述，它似乎总是试图在每个关键节点，都辅以对该理论在特定工业场景（如机械臂、过程控制）中的应用潜力描述，这无疑是为学习者构建了一个强大的“应用场景库”，让知识点不再是孤立的公式，而是未来解决实际问题的工具箱。这使得阅读过程变成了一种持续的、富有启发性的构建过程。

评分☆☆☆☆☆

我花了将近一周的时间仔细研读了这本书的第二部分，也就是关于经典控制理论的章节，特别是PID控制器的设计与分析部分。坦白说，这本书在处理“性能指标”与“参数整定”的平衡关系时，展现出了极高的成熟度。它不仅仅罗列了如Ziegler-Nichols等几种经典的整定方法，更重要的是，它深入探讨了每种方法背后的局限性和适用场景。例如，在讨论超调量和响应速度的权衡时，作者没有简单地给出公式，而是通过一系列对比鲜明的案例，直观地展示了不同 $K_p, K_i, K_d$ 组合对系统瞬态响应的戏剧性影响。让我印象深刻的是，书中穿插了许多“陷阱”与“误区”的讨论，这些往往是课堂上容易被忽略但实际工程中经常遇到的难题。这种“过来人”式的经验传授，远比教科书上干巴巴的定义要有价值得多。它教会我的不是如何套用公式，而是如何像一个真正的工程师那样去“思考”控制系统的行为，去预判参数调整可能带来的副作用。这种注重实践哲学和工程智慧的讲解方式，是我在其他教材中鲜少见到的深度。