控製係統原理與MATLAB仿真實現 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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王敏 著

圖書標籤:

• 控製係統原理
• MATLAB
• 仿真
• 自動控製
• 經典控製
• 現代控製
• 信號與係統
• 數學模型
• 係統分析
• 控製工程

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121217746

商品編碼：29708825124

包裝：平裝

齣版時間：2014-01-01

基本信息

書名:控製係統原理與MATLAB仿真實現

定價：39.80元

售價：27.1元,便宜12.7元,摺扣68

作者:王敏

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2014-01-01

ISBN：9787121217746

字數：

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版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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本書大部分內容和實例在教學實踐中做過實驗和驗證。

內容提要

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本書以先進計算機仿真軟件MATLAB/Simulink在自動控製中的應用為編寫宗旨，結閤日常的教學和科研工作進行編撰。內容包括兩大部分：部分介紹MATLAB用於控製係統計算及仿真的有關知識；第二部分內容涵蓋經典控製理論和現代控製理論的係統仿真。全書共分9章，包括：係統仿真的基本概念、MATLAB/Simulink的基本內容及使用方法、控製係統的數學模型及其轉換、控製係統根軌跡、時域和頻域的分析與校正、控製係統狀態空間的分析與設計和控製係統的聯閤仿真。每個章節先對與自動控製有關的基本概念進行簡要介紹，然後介紹MATLAB相關函數，並從實用的角度齣發，通過大量典型樣例，對MATLAB/Simulink的功能、操作及其在自動控製中的應用進行詳細論述。大部分內容和例子，已在本科生有關控製理論與控製工程的教學實踐中做過實驗和驗證。

目錄

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章 概述
1.1 控製係統的研究方法
1.1.1 控製理論的發展
1.1.2 經典控製理論
1.1.3 現代控製理論
1.2 控製係統仿真的基本概念
1.2.1 控製係統的實驗方法
1.2.2 模型的建立及分類
1.2.3 仿真實驗的分類
1.2.4 數字仿真
1.3 控製係統仿真軟件及過程
1.3.1 仿真軟件
1.3.2 MATLAB仿真的優越性
1.3.3 仿真過程
1.4 仿真技術的應用及發展
1.4.1 仿真技術在工程中的應用
1.4.2 應用仿真技術的意義
1.4.3 仿真技術的發展趨勢
小結
習題
第2章 MATLAB基礎知識
2.1 MATLAB數據結構
2.1.1 數值型和邏輯型數據
2.1.2 字符和字符串型數據
2.1.3 結構體型數據
2.2 MATLAB基本控製流程
2.2.1 順序結構
2.2.2 選擇結構
2.2.3 循環結構
2.2.4 分支語句與其他流程控製語句
2.3 MATLAB的M函數設計
2.3.1 M函數的基本結構
2.3.2 M腳本式文件與M函數式文件的區彆
2.3.3 M函數中的變量類型
2.3.4 M函數的跟蹤調試
2.4 MATLAB的圖形繪製
2.4.1 繪製二維圖形
2.4.2 繪製三維圖形
2.5 MATLAB的圖形用戶界麵設計
小結
習題
第3章 Simulink交互式仿真集成環境
3.1 Simulink仿真概述
3.1.1 初識Simulink
3.1.2 在Simulink下工作
3.1.3 Simulink工作原理
3.2 Simulink模塊及處理
3.2.1 Simulink模塊庫
3.2.2 Simulink模塊處理
3.3 Simulink仿真設置
3.3.1 求解器設置麵闆
3.3.2 數據導入/導齣麵闆
3.3.3 優化麵闆
3.3.4 診斷麵闆
3.4 子係統與模塊封裝技術
3.4.1 模型子係統
3.4.2 模塊封裝技術
3.4.3 自定義模型庫
3.5 S-函數設計與應用
3.5.1 用m語言編寫S-函數
3.5.2 用C語言編寫S-函數
小結
習題
第4章 控製係統的數學模型
4.1 幾種常用數學模型
4.1.1 傳遞函數模型
4.1.2 零極點增益模型
4.1.3 部分分式模型
4.1.4 狀態空間模型
4.1.5 MATLAB/Simulink在數學模型建立中的應用
4.2 數學模型的相互轉換
4.2.1 由傳遞函數求狀態空間錶達式
4.2.2 由狀態空間錶達式求傳遞函數
4.2.3 MATLAB/Simulink在數學模型轉換中的應用
4.3 數學模型的連接
4.3.1 串聯連接
4.3.2 並聯連接
4.3.3 反饋連接
4.3.4 MATLAB/Simulink在數學模型連接中的應用
小結
習題
第5章 控製係統的時域分析
5.1 係統的穩定性分析
5.2 時域響應分析
5.2.1 係統的動態過程與穩態過程
5.2.2 時域內係統的主要性能指標
5.2.3 係統的時域響應分析
5.3 MATLAB/Simulink在時域分析中的應用
5.3.1 MATLAB/Simulink在控製係統建模中的應用
5.3.2 基於MATLAB的穩定性判斷方法
5.3.3 MATLAB/Simulink在係統動態特性分析中的應用
5.3.4 MATLAB/Simulink在求取係統穩態特性中的應用
5.4 LTI Viewer在時域分析中的應用
5.4.1 LTI Viewer命令欄主要命令介紹
5.4.2 LTI Viewer的應用實例
小結
習題
第6章 控製係統的根軌跡分析
6.1 根軌跡法基本概念
6.1.1 根軌跡方程
6.1.2 繪製根軌跡的基本法則
6.2 其他形式的根軌跡
6.2.1 參數根軌跡
6.2.2 零度根軌跡
6.3 MATLAB/Simulink在根軌跡分析中的應用
6.3.1 繪製根軌跡的函數
6.3.2 計算根軌跡增益函數
6.3.3 繪製含阻尼係數和自然頻率柵格綫的係統根軌跡
6.4 根軌跡分析與設計工具rltool
6.4.1 rltool根軌跡設計窗口界麵簡介
6.4.2 命令菜單簡介
小結
習題
第7章 控製係統的頻域分析與校正
7.1 頻率特性基本概念
7.1.1 係統的錶示
7.1.2 頻率特性定義
7.1.3 矢量錶示
7.2 頻率特性的錶示方法
7.2.1 極坐標頻率特性麯綫
7.2.2 對數頻率特性麯綫
7.2.3 對數幅相特性麯綫
7.3 頻率分析法
7.3.1 開環極點與閉環極點的關係
7.3.2 頻域穩定性判據
7.4 頻率法穩定性分析
7.4.1 小相位係統
7.4.2 原點處有開環極點的情況
7.4.3 非小相位係統
7.5 MATLAB/Simulink在頻域分析中的應用
7.5.1 頻域分析的基本原理
7.5.2 MATLAB進行頻域分析的方法
7.5.3 實例分析
7.6 MATLAB/Simulink在頻域校正中的應用
7.6.1 相位超前校正
7.6.2 相位滯後校正
7.6.3 滯後-超前校正
7.6.4 串聯PID校正
小結
習題
第8章 控製係統狀態空間分析與設計
8.1 綫性係統狀態空間基礎
8.1.1 狀態空間的基本概念
8.1.2 狀態空間錶達式的標準形式
8.1.3 MATLAB/Simulink在狀態空間錶達式中的應用
8.2 狀態空間錶達式的解
8.2.1 連續係統狀態方程的解
8.2.2 綫性定常連續係統狀態空間錶達式的離散化
8.2.3 離散係統狀態方程的解
8.2.4 MATLAB/Simulink在狀態空間錶達式求解中的應用
8.3 綫性係統的狀態能控性與能觀性
8.3.1 綫性定常連續係統狀態能控性
8.3.2 綫性定常連續係統狀態能觀性
8.3.3 離散係統狀態能控性、能觀性
8.3.4 MATLAB/Simulink在係統能控性、能觀性分析中的應用
8.4 綫性係統穩定性分析
8.4.1 概述
8.4.2 Lyapunov穩定性定理
8.4.3 Lyapunov穩定性分析
8.4.4 MATLAB/Simulink在綫性係統穩定性分析中的應用
8.5 綫性係統狀態空間設計
8.5.1 綫性反饋控製係統的基本結構
8.5.2 極點配置
8.5.3 狀態觀測器
8.5.4 MATLAB/Simulink在狀態空間分析和設計中的應用
小結
習題
第9章 控製係統的聯閤仿真
9.1 基於S-函數的仿真擴展
9.1.1 硬件在迴路的仿真擴展
9.1.2 網絡分布式仿真的擴展
9.2 基於虛擬樣機的聯閤仿真
9.2.1 虛擬樣機技術
9.2.2 聯閤仿真的步驟
9.2.3 球棒係統的聯閤仿真
小結
習題
附錄A
附錄B
參考文獻

作者介紹

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王敏，西北工業大學明德學院機電係專職老師，主講MATLAB在控製係統仿真中的應用、現代控製理論和自動控製原理等幾門課程，參與“基於Gabor小波的多尺度空間理論車牌號識彆研究”並負責建立模型，對控製係統的MATLAB仿真具有豐富的實踐經驗。

文摘

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序言

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《現代控製理論方法與工程應用》 內容簡介 本書旨在全麵深入地探討現代控製理論的核心概念、關鍵方法及其在各類工程領域的廣泛應用。我們緻力於構建一個清晰、嚴謹而又富有實踐指導意義的學習框架，幫助讀者從基礎理論齣發，逐步掌握復雜係統的分析與設計能力，並能熟練運用前沿的工程工具實現係統控製。 第一部分：現代控製理論基礎 本部分將從基礎概念入手，為讀者構建堅實的理論基石。 係統建模： 我們將詳細介紹如何將現實世界的物理係統轉化為數學模型。這包括對不同類型係統的錶徵，如綫性定常（LTI）係統、綫性時變（LTV）係統以及非綫性係統。我們將重點講解狀態空間錶示法，這是現代控製理論的核心工具，通過一組一階微分方程（或差分方程）來描述係統的內部狀態和外部輸入輸齣關係。讀者將學習如何從物理方程（如牛頓定律、電路方程、流體力學方程等）導齣狀態空間模型，以及如何處理傳遞函數模型與狀態空間模型之間的轉換。此外，還將涉及係統的基本性質分析，如因果性、穩定性、可控性與可觀測性等。 穩定性分析： 穩定性是控製係統設計中最重要的考量因素之一。本部分將深入闡述各種穩定性判據。對於綫性係統，我們將詳細介紹李雅普諾夫穩定性理論，包括直接法和間接法，並通過求解李雅普諾夫方程來判彆係統的穩定性。我們還將介紹代數穩定性判據，如勞斯-霍爾維茨判據和奈奎斯特判據，它們能夠直接從係統的特徵方程或開環傳遞函數中獲得穩定性信息。對於非綫性係統，我們將探討其局部穩定性和全局穩定性，並介紹一些常用的穩定性分析工具，如李雅普諾夫函數的設計方法和相平麵分析。 時域與頻域分析： 時域分析側重於係統響應隨時間的變化，而頻域分析則關注係統對不同頻率輸入的響應特性。本部分將詳細介紹這些分析方法。在時域，我們將討論單位階躍響應、衝激響應等典型輸入下的係統行為，並介紹如何通過係統參數（如阻尼比、固有頻率、時間常數）來評估係統的動態性能指標，如超調量、調節時間、峰值時間等。在頻域，我們將詳細講解幅頻特性和相頻特性麯綫（波特圖），以及它們在分析係統頻率響應、判斷係統穩定性以及設計控製器中的應用。我們將介紹如何通過幅值裕度和相位裕度來量化係統的穩定性儲備。 狀態反饋控製： 狀態反饋是一種強大的控製技術，它利用係統的內部狀態信息來設計控製器，從而實現期望的係統性能。本部分將深入探討狀態反饋的設計原理。我們將學習如何通過配置係統極點（特徵值）來任意配置閉環係統的動態特性，並介紹極點配置法的具體實現步驟。我們將詳細推導狀態反饋增益矩陣的計算方法，並討論不同配置極點對係統性能的影響。此外，我們還將介紹狀態觀測器的概念和設計，它允許我們在無法直接測量所有狀態變量的情況下，通過輸齣信息來估計係統的內部狀態，從而實現基於狀態觀測器的反饋控製。 第二部分：先進控製理論與方法 本部分將在此基礎上，引入更高級的控製理論和方法，以應對更復雜的工程挑戰。 PID 控製器設計與整定： PID（比例-積分-微分）控製器是工業界最廣泛應用的控製器類型。本部分將詳細闡述PID控製器的原理，包括比例、積分和微分作用如何影響係統響應。我們將深入探討PID參數的整定方法，從經典的經驗方法（如齊格勒-尼剋斯法）到更現代的自適應整定和模型預測控製輔助整定。我們將詳細分析不同整定方法在不同係統類型和性能要求下的適用性，並提供實踐建議。 最優控製理論： 最優控製旨在找到一個控製律，使得某個性能指標（代價函數）達到最小值或最大值。本部分將詳細介紹最優控製的基本原理，包括變分法和龐特裏亞金最大值原理。我們將重點講解綫性二次調節器（LQR）問題，它在給定綫性係統和二次型代價函數的情況下，能夠找到最優的綫性狀態反饋增益。讀者將學習如何構建LQR問題，求解代數黎卡提方程，並分析LQR控製器在提升係統性能和魯棒性方麵的優勢。 模型預測控製（MPC）： 模型預測控製是一種高級控製策略，它利用係統的動態模型來預測未來一段時間的係統行為，並在每個采樣時刻，基於預測結果計算齣一係列最優的控製序列，並隻施加第一個控製量。本部分將詳細介紹MPC的原理，包括預測模型、代價函數、約束處理以及滾動優化。我們將闡述MPC如何處理多輸入多輸齣（MIMO）係統、約束係統以及具有復雜動態特性的係統。讀者將瞭解MPC在化工、能源、汽車等領域的廣泛應用，並學習其基本設計思路。 魯棒控製理論： 魯棒控製關注的是如何設計控製器，使其在係統模型不確定性或外部乾擾存在的情況下，仍能保持令人滿意的性能。本部分將介紹幾種主要的魯棒控製方法。我們將探討H-無窮（H∞）控製，它旨在最小化係統在最壞情況下的增益，從而實現性能的魯棒性。我們還將簡要介紹μ-分析與綜閤，這是處理結構化不確定性的強大工具。讀者將瞭解這些方法如何量化不確定性，以及如何設計能夠抵抗這些不確定性的控製器。 非綫性控製策略： 許多實際工程係統本質上是非綫性的，綫性控製方法在這些係統上可能錶現不佳。本部分將介紹一些處理非綫性係統的基本策略。我們將簡要介紹反饋綫性化方法，它嘗試將非綫性係統轉化為等效的綫性係統，然後再應用綫性控製技術。我們還將探討李雅普諾夫穩定性理論在非綫性係統控製中的應用，以及一些常用的非綫性控製器設計方法，如滑模控製和模糊邏輯控製。 第三部分：控製係統工程實現與應用 本部分將重點關注如何將理論知識轉化為實際的工程解決方案，並介紹控製係統在不同領域的典型應用。 數字控製係統： 隨著計算機技術的飛速發展，數字控製係統已成為主流。本部分將詳細介紹數字控製係統的基本原理，包括采樣、量化、數字控製器設計以及數字控製器與模擬控製器之間的關係。我們將討論采樣定理，講解零階保持器及其對係統頻率響應的影響，並介紹數字域的控製器設計方法，如雙綫性變換法和脈衝不變法。 多輸入多輸齣（MIMO）係統控製： 許多復雜的工程係統都具有多個輸入和多個輸齣，需要采用MIMO控製技術。本部分將介紹MIMO係統的分析與設計方法。我們將討論MIMO係統的狀態空間錶示，並介紹解耦控製、反饋解耦以及模型預測控製在MIMO係統中的應用。 控製係統仿真與實現： 理論研究的最終目的是為瞭實際應用，仿真和實現是關鍵環節。本部分將詳細介紹如何利用現代工程軟件進行控製係統的仿真分析與實現。我們將通過具體的工程案例，演示如何建立係統模型、設計控製器、進行仿真驗證，以及將控製器部署到實際硬件中。我們將探討仿真工具的常用功能，如模型構建、參數調整、性能指標評估以及代碼生成等。 工程應用實例分析： 為瞭加深讀者對控製理論與方法的理解，本部分將提供一係列在不同工程領域中的典型應用案例。這些案例將涵蓋： 航空航天： 飛行器姿態控製、導航與製導係統。 機器人技術： 機器人關節控製、路徑規劃與軌跡跟蹤。 工業自動化： 過程控製（如溫度、壓力、流量控製）、生産綫自動化。 汽車工程： 巡航控製、發動機管理係統、電子穩定程序（ESP）。 電力係統： 發電機勵磁控製、電網穩定性控製。 生物醫學工程： 人工胰腺係統、假肢控製。 通過對這些案例的深入剖析，讀者將能夠看到控製理論在解決實際工程問題中的強大力量，並學習如何根據具體的應用需求，選擇和設計閤適的控製策略。 本書力求理論與實踐並重，將抽象的數學概念與生動的工程實例相結閤，通過清晰的邏輯結構和詳實的論述，幫助讀者構建完整的控製係統知識體係，並具備解決實際工程問題的能力。無論是初學者還是有一定基礎的工程師，都能從本書中受益，掌握現代控製理論的精髓，並將其靈活應用於自身的工程實踐中。

評分☆☆☆☆☆

我花瞭將近一周的時間仔細研讀瞭這本書的第二部分，也就是關於經典控製理論的章節，特彆是PID控製器的設計與分析部分。坦白說，這本書在處理“性能指標”與“參數整定”的平衡關係時，展現齣瞭極高的成熟度。它不僅僅羅列瞭如Ziegler-Nichols等幾種經典的整定方法，更重要的是，它深入探討瞭每種方法背後的局限性和適用場景。例如，在討論超調量和響應速度的權衡時，作者沒有簡單地給齣公式，而是通過一係列對比鮮明的案例，直觀地展示瞭不同 $K_p, K_i, K_d$ 組閤對係統瞬態響應的戲劇性影響。讓我印象深刻的是，書中穿插瞭許多“陷阱”與“誤區”的討論，這些往往是課堂上容易被忽略但實際工程中經常遇到的難題。這種“過來人”式的經驗傳授，遠比教科書上乾巴巴的定義要有價值得多。它教會我的不是如何套用公式，而是如何像一個真正的工程師那樣去“思考”控製係統的行為，去預判參數調整可能帶來的副作用。這種注重實踐哲學和工程智慧的講解方式，是我在其他教材中鮮少見到的深度。

評分☆☆☆☆☆

這本書的整體設計理念似乎是圍繞著“將理論‘工程化’、將仿真‘可視化’”這一核心目標展開的。從排版上看，它極力避免瞭那種密密麻麻的純文字堆砌，而是通過大量精心繪製的係統框圖、信號流圖以及重要的數學推導流程圖，有效地打破瞭視覺上的沉悶。每一次引入一個新的控製策略，作者都會立即配上一張清晰的結構圖，讓讀者能夠立刻在腦海中建立起一個“輸入-處理-輸齣”的動態迴路印象。這種圖文並茂的呈現方式，極大地提高瞭信息傳遞的效率，使得原本抽象的控製流程變得具體可感。此外，書中對理論的闡述並不止步於數學描述，它似乎總是試圖在每個關鍵節點，都輔以對該理論在特定工業場景（如機械臂、過程控製）中的應用潛力描述，這無疑是為學習者構建瞭一個強大的“應用場景庫”，讓知識點不再是孤立的公式，而是未來解決實際問題的工具箱。這使得閱讀過程變成瞭一種持續的、富有啓發性的構建過程。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事風格真是充滿瞭一種老派的、不妥協的學術嚴謹性，但同時又偶爾流露齣一種對讀者的體貼。例如，在涉及李雅普諾夫穩定性分析那樣的抽象概念時，作者的處理方式非常巧妙。他們沒有直接跳入復雜的微分方程證明，而是先構建瞭一個“能量函數”的直觀比喻，仿佛在說服讀者：“看，我們引入這個復雜的數學工具，僅僅是為瞭量化這個係統‘能量’的衰減過程。”這種“以形帶神”的引導，極大地緩解瞭讀者在麵對高維綫性代數和微分方程組時的畏懼感。不過，我也發現，這種深度也帶來瞭一定的挑戰性。對於基礎知識掌握不太牢固的讀者來說，可能需要在前後章節之間反復跳躍查閱定義，因為作者默認你已經對某些高級數學工具（比如矩陣的特徵值分解）有一定的熟悉度。總而言之，它更像是一位經驗豐富、知識淵博的導師，他不會全程牽著你的手，但當你主動嚮他求教時，他總能提供最精闢、最本質的解答，要求讀者必須保持高度的專注和主動性。

評分☆☆☆☆☆

我必須提一下書中關於“係統辨識”這一部分的編排，這簡直是點睛之筆，將理論與實際的“數據世界”連接瞭起來。在很多控製理論教材中，係統辨識往往被輕描淡寫地帶過，仿佛我們總能拿到一個完美無缺的係統模型。但這本書卻花費瞭相當大的篇幅去討論如何從噪聲乾擾嚴重、采樣不規律的真實世界數據中“挖掘”齣係統的動態特性。它詳細對比瞭時域辨識方法和頻域辨識方法的優缺點，尤其是對各種模型結構的選取標準給齣瞭非常實用的判斷依據。我個人最感興趣的是它關於“模型結構閤理性”的討論——即如何在模型復雜度（模型擬閤度）和工程可解釋性之間找到一個最佳平衡點。書中提齣的幾個小案例分析，雖然篇幅不長，但對理解如何處理測量誤差和環境擾動對模型辨識帶來的偏差，起到瞭極大的啓發作用。這部分內容完全超越瞭基礎教學的範疇，直接觸及瞭實際工程項目中的核心痛點。

評分☆☆☆☆☆

這本《[書名]》的裝幀設計著實讓人眼前一亮，封麵簡潔大氣，配色沉穩又不失現代感，一下子就給人一種專業、嚴謹的學術書籍的印象。內頁的紙張質量也相當不錯，觸感細膩，字跡清晰銳利，長時間閱讀下來眼睛也不會感到疲勞，這對於理工科的學習資料來說至關重要。不過，說實話，我更關注的是書籍的內在邏輯和內容的深度。翻閱目錄時，我發現它對基礎理論的梳理非常係統，從最基本的反饋控製概念，到經典控製理論的深入剖析，再到現代控製的初步介紹，脈絡清晰得像是為初學者量身定做的嚮導圖。我特彆欣賞它在概念引入上的方式，不是生硬地拋齣復雜的數學公式，而是先通過工程背景或實際現象來鋪墊，讓人很容易理解“為什麼需要這個理論”以及“它能解決什麼問題”。這種由淺入深的編排，極大地降低瞭初學者的入門門檻，讓人感覺學習過程是層層遞進、水到渠成的，而不是囫圇吞棗。整體來看，這本書在“外觀”和“基礎架構”上，無疑是下瞭大功夫的，為後續內容的學習打下瞭堅實的心理和視覺基礎。