現代控制系統分析與設計：基於MATLAB的仿真與實現（簡體書）

本書是精品資源共享課程的配套教材,在講述現代控制理論的基本概念、原理和方法的基礎 上,詳細介紹基於 MATLAB仿真的現代控制系統分析與設計方法。全書內容涵蓋 MATLAB/Simulink應 用基礎、基於 MATLAB的現代控制系統模型、基於 MATLAB的現代控制系統分析、基於 MATLAB的現 代控制系統設計、現代控制系統分析與設計實例(如打印機驅動控制、硬盤磁頭定位控制、果實采摘機器人 控制、磁懸浮控制、車輛半主動懸架控制、網聯汽車自動巡航控制等系統分析與設計)。實例中詳細給出了 程序命令、注釋說明和運行結果,圖文並茂,使抽象的現代控制理論變得生動形象。 本書適合作為高等學校自動化及其相關專業本科生的教材,也適合控制科學與工程及其相關專業的 研究生以及從事相關工作的科研人員和工程技術人員閱讀,亦可作為現代控制理論的開放實驗教材。

何德峰 教授、博士生導師，浙江省杰出青年基金獲得者，浙江省“萬人計劃”青年拔尖人才，中國自動化學會過程控制專委會、車輛控制與智能化專委會、預測控制與智能決策專委會委員，*高等學校自動化類專業教學指導委員會協作委員，浙江省自動化學會教學工作委員會秘書長。主持國家和省部級科研項目10余項，獲得中國自動化學會科技成果一等獎等國家一級學會科技獎勵3項、浙江省科技成果二等獎1項和浙江省教學成果二等獎1項。目前主要從事智能預測與優化控制理論及工程應用研究。

俞立 教授、博士生導師，國家杰出青年基金獲得者，“現代控制理論”國家精品資源共享課程負責人，中國自動化學會控制理論專委會和過程控制專委會委員，浙江省自動化學會副理事長，浙江省嵌入式系統聯合重點實驗室主任，“控制科學與工程”省一流學科負責人，享受國務院政府特殊津貼。出版《現代控制理論》規劃教材1部，主持國家基金重點聯合基金等項目10余項，獲得*高等學校科學研究優秀成果獎自然科學一等獎1項、浙江省教學成果一等獎和二等獎各1項、其他省部級獎勵5項。目前主要從事魯棒控制、網絡化控制和機器人控制研究。

《現代控制系統分析與設計——基於MATLAB的仿真與實現》是精品資源共享課程“現代控制理論”的配套教材。本書在講述現代控制理論的基本概念、原理和方法的基礎上，詳細介紹了基於MATLAB仿真軟件的現代控制系統狀態空間分析與設計方法。全書內容涵蓋MATLAB/Simulink應用基礎、基於MATLAB的現代控制系統建模、基於MATLAB的現代控制系統分析、基於MATLAB的現代控制系統設計、現代控制系統分析與設計實例——打印機驅動控制系統分析與設計、磁盤磁頭定位控制系統分析與設計、機械果實采摘控制系統分析與設計、磁懸浮控制系統分析與設計、汽車半主動懸架控制系統分析與設計、網聯汽車自動巡航控制系統分析與設計。書中實例詳細給出了程序命令、注釋說明和運行結果，圖文並茂，使抽象的現代控制理論變得生動形象。

MATLAB軟件已成為控制領域流行的控制系統分析與設計的計算機輔助工具。本書將MATLAB編程與現代控制理論教學融合，既可以作為現代控制系統仿真課程的教材，也可以作為現代控制理論課程的開放實驗教材。本書實例化寫作風格也使它適合作為從事控制科學與工程領域工作的科研人員和工程技術人員的自學教材。

本書是俞立教授編寫的《現代控制理論》教材的姊妹篇，共分10章，其內容概括如下： 第1章介紹MATLAB/Simulink應用基礎； 第2章介紹現代控制系統的MATLAB模型，包括狀態空間模型的MATLAB實現、利用MATLAB進行模型間的相互轉換和離散化； 第3章介紹現代控制系統的MATLAB分析方法，包括狀態空間模型的典型信號響應分析、能控性與能觀性分析和穩定性分析； 第4章詳細介紹現代控制系統的MATLAB設計方法，包括穩定狀態反饋控制器、極點配置狀態反饋控制器、跟蹤控制器、線性二次型控制器和基於狀態觀測器的輸出反饋控制器的MATLAB設計方法。在此基礎上，第5~10章分別以打印機驅動控制系統、硬盤磁頭定位控制系統、果實采摘機器人控制系統、磁懸浮控制系統、車輛半主動懸架控制系統、網聯汽車自動巡航控制系統為實例，詳細介紹現代控制系統分析與設計的MATLAB實現。雖然“現代控制理論”課程數學公式多、概念抽象、理論性強，但學生在簡單掌握MATLAB應用的基礎上，就能提出直觀分析、設計和仿真現代控制理論問題的解決方案。本書選擇6個現代控制系統典型實例，詳細講述如何利用MATLAB開展現代控制系統的分析與設計實現； 舉一反三，讀者能很快掌握利用MATLAB解決現代控制理論問題的技術。因此，通過本書的學習，學生不僅能夠掌握利用MATLAB進行現代控制系統分析與設計的技能，還能提高分析問題和解決問題的能力，加深對現代控制理論基本概念的理解。本書是作者結合自己長期從事現代控制理論教學與科研的經驗，參閱並吸取了國內外優秀教材的相關內容的基礎上完成的。本書出版前的講義已在學校自動化相關專業的現代控制理論課程中使用十年，並不斷得到修改和完善。在本書的準備過程中，研究生彭彬彬、崔靖龍、韓平、李海平、林迪、李壯、俞芳慧等承擔了書稿和實例程序的校對工作，同時本書的寫作得到了浙江工業大學重點教材建設計劃的支持，在此深表謝意。

限於作者水平，書中仍會有一些不妥之處，懇請廣大讀者和專家給予批評指正。

作者2022年3月於杭州

第1章MATLAB/Simulink應用基礎
1.1MATLAB應用簡介
1.1.1操作界面介紹
1.1.2幫助系統
1.1.3工具箱
1.1.4數值運算
1.1.5符號運算
1.1.6圖形表達功能
1.2MATLAB程序設計基礎
1.2.1M文件
1.2.2MATLAB程序設計結構
1.3Simulink應用簡介
1.3.1Simulink基本操作
1.3.2Simulink模塊庫
1.3.3Simulink仿真實例
第2章基於MATLAB的現代控制系統模型
2.1狀態空間模型的建立
2.1.1狀態空間模型的基本概念
2.1.2狀態空間模型的MATLAB實現
2.2利用MATLAB進行系統模型間的相互轉換
2.2.1由傳遞函數導出狀態空間模型
2.2.2由狀態空間模型導出傳遞函數
2.3連續時間狀態空間模型的離散化
2.4狀態空間模型的性質
第3章基於MATLAB的現代控制系統分析
3.1狀態空間模型的運動響應分析
3.1.1單位階躍響應分析
3.1.2單位脈衝響應分析
3.1.3初始狀態響應分析
3.1.4任意輸入信號響應分析
3.2狀態空間模型的能控性和能觀性分析
3.2.1狀態能控性分析
3.2.2輸出能控性分析
3.2.3狀態能觀性分析
3.3現代控制系統的穩定性分析
3.3.1連續時間系統的穩定性分析
3.3.2離散時間系統的穩定性分析
第4章基於MATLAB的現代控制系統設計
4.1Lyapunov穩定狀態反饋控制器設計
4.1.1黎卡提方程處理方法
4.1.2線性矩陣不等式處理方法
4.2極點配置狀態反饋控制器設計
4.3跟蹤控制器設計
4.4線性二次型控制器設計
4.4.1連續時間線性二次型控制
4.4.2離散時間線性二次型控制
4.5基於狀態觀測器的輸出反饋控制器設計
4.5.1狀態觀測器設計
4.5.2基於狀態觀測器的輸出反饋控制
第5章實例1： 打印機驅動控制系統分析與設計
5.1打印機皮帶驅動系統模型
5.1.1驅動系統微分方程
5.1.2驅動系統狀態空間模型
5.1.3驅動系統狀態空間模型的離散化
5.1.4驅動系統狀態空間模型轉換為傳遞函數模型
5.2打印機皮帶驅動系統性能分析
5.2.1驅動系統運動響應分析
5.2.2驅動系統能控性和能觀性分析
5.2.3驅動系統穩定性分析
5.3打印機皮帶驅動系統控制器設計
5.3.1驅動系統極點配置狀態反饋控制器設計
5.3.2驅動系統跟蹤控制器設計
5.3.3驅動系統狀態觀測器設計
第6章實例2： 硬盤磁頭定位控制系統分析與設計
6.1硬盤磁頭定位系統模型
6.1.1磁頭定位系統物理模型
6.1.2磁頭定位系統狀態空間模型
6.1.3磁頭定位系統狀態空間模型的離散化
6.1.4磁頭定位系統狀態空間模型轉換為傳遞函數模型
6.2硬盤磁頭定位系統性能分析
6.2.1磁頭定位系統運動響應分析
6.2.2磁頭定位系統能控性和能觀性分析
6.2.3磁頭定位系統穩定性分析
6.3硬盤磁頭定位系統控制器設計
6.3.1磁頭定位系統極點配置狀態反饋控制器設計
6.3.2磁頭定位系統跟蹤控制器設計
6.3.3磁頭定位系統基於狀態觀測器的控制器設計
第7章實例3： 果實采摘機器人控制系統分析與設計
7.1果實采摘控制系統模型
7.1.1采摘控制系統物理模型
7.1.2采摘控制系統傳遞函數
7.1.3采摘控制系統傳遞函數轉換為狀態空間模型
7.1.4采摘控制系統狀態空間模型的離散化
7.2果實采摘控制系統性能分析
7.2.1采摘控制系統運動響應分析
7.2.2采摘控制系統能控性和能觀性分析
7.2.3采摘控制系統穩定性分析
7.3果實采摘系統控制器設計
7.3.1采摘系統極點配置狀態反饋控制器設計
7.3.2采摘系統跟蹤控制器設計
7.3.3采摘系統基於狀態觀測器的控制器設計
第8章實例4： 磁懸浮控制系統分析與設計
8.1磁懸浮控制系統模型
8.1.1磁懸浮控制系統物理模型
8.1.2磁懸浮控制系統狀態空間模型
8.1.3磁懸浮控制系統狀態空間模型的離散化
8.1.4磁懸浮控制系統狀態空間模型轉換為傳遞函數模型
8.2磁懸浮控制系統性能分析
8.2.1磁懸浮控制系統運動響應分析
8.2.2磁懸浮控制系統能控性和能觀性分析
8.2.3磁懸浮控制系統穩定性分析
8.3磁懸浮系統控制器設計
8.3.1磁懸浮系統極點配置狀態反饋控制器設計
8.3.2磁懸浮系統跟蹤控制器設計
8.3.3磁懸浮系統狀態觀測器設計
8.3.4磁懸浮系統基於狀態觀測器的控制器設計
8.3.5磁懸浮系統線性二次型控制器設計
第9章實例5： 車輛半主動懸架控制系統分析與設計
9.1車輛懸架控制系統模型
9.1.1懸架控制系統物理模型
9.1.2懸架控制系統狀態空間模型
9.1.3懸架控制系統狀態空間模型離散化
9.1.4懸架控制系統狀態空間模型轉換為傳遞函數模型
9.2車輛懸架控制系統性能分析
9.2.1懸架控制系統運動響應分析
9.2.2懸架控制系統能控性和能觀性分析
9.2.3懸架控制系統穩定性分析
9.3車輛懸架系統控制器設計
9.3.1懸架系統極點配置狀態反饋控制器設計
9.3.2懸架系統跟蹤控制器設計
9.3.3懸架系統線性二次型控制器設計
第10章實例6： 網聯汽車自動巡航控制系統分析與設計
10.1汽車自動巡航控制系統原理
10.2汽車自動巡航縱向動力學模型
10.2.1汽車ACC縱向動力學模型
10.2.2汽車ACC系統狀態空間模型
10.2.3汽車ACC系統狀態空間模型離散化
10.2.4狀態空間模型轉換為傳遞函數模型
10.3汽車自動巡航控制系統分析
10.3.1汽車ACC系統的階躍響應
10.3.2汽車ACC系統的脈衝響應
10.3.3汽車ACC系統的初始狀態響應
10.3.4汽車ACC系統能控性和能觀性分析
10.4汽車ACC系統的極點配置反饋控制
10.5基於觀測器的ACC系統控制器設計
10.6汽車ACC系統線性二次型控制
10.6.1汽車ACC系統LQR控制器設計
10.6.2CarSim/Simulink聯合仿真
參考文獻