控制理論MATLAB教程

前言

　　譯者序　　一個偶然的機(jī)會，我和王詩宓先生（原清華大學(xué)自動化系教授）閱讀了Ogata教授所著新書MATLAB for Control Engineers，甚感欣喜。MATLAB語言業(yè)已成為控制領(lǐng)域最流行的仿真語言，也是該領(lǐng)域最流行的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的計算機(jī)輔助工具。目前，MATLAB已被融于控制理論的教學(xué)，有些學(xué)校甚至專門開設(shè)了關(guān)于MATLAB應(yīng)用的課程。本書正是一本不可多得的MATLAB控制理論教材和參考書?！　】刂祁悓I(yè)的讀者在初次接觸MATLAB時，通過兩種方法都能學(xué)會使用MATLAB。一種方法是基本按照MathWorks公司提供的MATLAB使用手冊，特別是控制系統(tǒng)工具箱手冊中的內(nèi)容，全面地、分門別類地學(xué)習(xí)MATLAB命令。在經(jīng)過較長時間的練習(xí)后，讀者會比較全面地掌握MATLAB的知識。但是，在按照MATLAB手冊的體系進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中，讀者往往會感覺內(nèi)容繁雜并且體系龐大。另一種方法是在簡單了解MATLAB的基本概念后，按照控制理論中需要解決的問題來學(xué)習(xí)和使用有關(guān)的命令。由于馬上就能解決迫切需要解決的問題，讀者立即會對要學(xué)的內(nèi)容產(chǎn)生極大的興趣。通過較短時間的練習(xí)，讀者就會熟悉相當(dāng)數(shù)量的關(guān)鍵命令；舉一反三，也就能很快地掌握采用MATLAB解決控制理論問題的能力。這本教材采用的正是后一種方法?！　ATLAB教材比比皆是，而介紹如何運(yùn)用MATLAB軟件解決控制問題的書籍卻不多見。由于MATLAB已經(jīng)成為一個龐大的仿真軟件，所以讓讀者在有限的時間內(nèi)掌握這種軟件，并運(yùn)用其分析、理解和解決控制理論問題，一直是控制專業(yè)類師生及應(yīng)用人員的迫切愿望。所幸的是，本書將MATLAB的介紹和控制理論的學(xué)習(xí)有機(jī)地融合在一起，對需要掌握的MATLAB內(nèi)容及其深度也把握得恰到好處。讀者很容易通過本書來運(yùn)用MATLAB解決控制問題，而不會被“淹沒”到軟件的龐大體系之中?！　gata教授撰寫的Modern Control Engineering一書已成為控制理論的最經(jīng)典教材之一，其第五版已于2009年問世，并已由電子工業(yè)出版社翻譯和影印出版。這本MATLAB教材的編排與Ogata的現(xiàn)代控制工程教材是同步的。讀者一打開本書，就會有一種似曾相識的親切感，也許就會有繼續(xù)研讀的愿望。書中除了開篇關(guān)于MATLAB基本內(nèi)容的介紹之外，其他章節(jié)的安排基本上與Modern Control Engineering一一對應(yīng)，覆蓋了系統(tǒng)建模、瞬態(tài)響應(yīng)分析、根軌跡分析、頻域分析及狀態(tài)空間控制系統(tǒng)設(shè)計方法和優(yōu)化問題。因此，本書基本上按照控制理論的體系來安排全書內(nèi)容，體現(xiàn)了控制理論為主體，　MATLAB為輔助工具的思想。這種編排方式便于學(xué)生同步學(xué)習(xí)或針對特定控制問題尋求MATLAB處理方法。　　本書的主要目的是講述如何使用MATLAB命令來分析和解決控制問題。但書中也較為全面地介紹了控制理論的基本概念和理論，　并以MATLAB命令對例題進(jìn)行了全面的分析和求解，所以讀者會感到書中的內(nèi)容特別具有針對性。因此，通過對本書的學(xué)習(xí)不僅能夠掌握利用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真的技能，而且能夠加深對控制理論中基本概念的理解，培養(yǎng)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的能力?！　≌怯捎诒緯纳鲜鎏攸c(diǎn)，相信很多讀者都會開卷有益。本書不僅可以作為控制系統(tǒng)仿真課程的教材，也可以作為本科生或研究生自動控制原理課程的輔助教材。本書深入淺出的寫作風(fēng)格也使它成為從事控制領(lǐng)域工作的科研人員和工程技術(shù)人員的自學(xué)用書和參考手冊?！　±^本書英文版教材出版后，我和王詩宓先生又將此書譯為中文，以供諸位偏好閱讀中文教材的讀者使用。本書前4章由王詩宓先生親自翻譯，第5章以后由本人翻譯。對于本書譯文中的錯誤和不妥之處，敬請廣大讀者批評指正?！　≡诒緯男８暹^程中，王先生不幸在美國洛杉磯逝世。驚聞這一噩耗，我不禁震驚而傷慟。王先生對生活的熱愛，對名利的淡薄，對同事的恭謙，以及對教學(xué)的執(zhí)著，一直鞭策和激勵著我。在校對翻譯稿的過程中，我又逐字逐句拜讀了王先生的翻譯稿，見字如面，再次深刻體會了王先生扎實的中英文功底和尊重原文的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度。非常榮幸曾經(jīng)和王先生在清華大學(xué)共同講授“自動控制原理”英文課，更為慶幸的是有機(jī)會和王先生共同翻譯此書。王先生離我們而去了，但他的文字卻永遠(yuǎn)和我們在一起。我也離開了生活七年之久的清華園，到同濟(jì)大學(xué)控制科學(xué)與工程系任教，但此書卻將我們定格在那令人難忘的一刻。此書的出版也是對王詩宓先生很好的紀(jì)念！　　王峻同濟(jì)大學(xué)

內(nèi)容概要

　　《國外計算機(jī)科學(xué)教材系列：控制理論MATLAB教程》系統(tǒng)講述基于MATLAB的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計方法。全書共7章。第1章總體介紹了MATLAB的基本命令；第2章介紹了MATLAB分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的預(yù)備知識；第3章討論了如何應(yīng)用MATLAB獲得動態(tài)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)；第4章和第5章分別講解了如何運(yùn)用MATLAB進(jìn)行根軌跡和頻域方法的分析和設(shè)計；第6章討論了如何通過MATLAB處理狀態(tài)空間極點(diǎn)配置和觀測器設(shè)計問題；第7章提供了控制系統(tǒng)設(shè)計中最優(yōu)參數(shù)組的選取方法及二次型最優(yōu)控制器的求解方法。

作者簡介

作者:(美)Katsuhiko Ogata

書籍目錄

第1章 MATLAB簡介 1.1 引言 1.2 用MATLAB做加減乘除 1.3 計算矩陣函數(shù) 1.4 繪制響應(yīng)曲線 1.5 三維圖形 1.6 用MATLAB繪制幾何圖形 第2章 動態(tài)系統(tǒng)MATLAB分析的初步研究 2.1 用MATLAB進(jìn)行部分分式展開 2.2 動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的變換 2.3 框圖形式系統(tǒng)的MATLAB表達(dá)方式 第3章 瞬態(tài)響應(yīng)分析 3.1 引言 3.2 階躍響應(yīng) 3.3 沖激響應(yīng) 3.4 斜坡響應(yīng) 3.5 對任意輸入的響應(yīng) 3.6 對任意初始條件的響應(yīng) 3.7 三維圖形 第4章 根軌跡分析 4.1 引言 4.2 帶有極坐標(biāo)網(wǎng)格線的根軌跡圖 4.3 求根軌跡上任意點(diǎn)的增益值K 4.4 非最小相位系統(tǒng)的根軌跡圖 4.5 條件穩(wěn)定系統(tǒng)的根軌跡圖 4.6 具有傳輸時延的系統(tǒng)的根軌跡 4.7 控制系統(tǒng)校正的根軌跡方法 第5章 頻域響應(yīng)分析 5.1 用MATLAB繪制伯德圖 5.2 用MATLAB繪制奈奎斯特圖 5.3 對數(shù)幅相特性圖 5.4 相角裕度和增益裕度 5.5 控制系統(tǒng)校正的頻域響應(yīng)方法 第6章 控制系統(tǒng)狀態(tài)空間設(shè)計的MATLAB方法 6.1 引言 6.2 可控性和可觀性 6.3 極點(diǎn)配置 6.4 用MATLAB解決極點(diǎn)配置問題 6.5 用MATLAB設(shè)計狀態(tài)觀測器 6.6 最小階觀測器 6.7 觀測器控制器 第7章 用MATLAB求解優(yōu)化問題 7.1 求取最優(yōu)參數(shù)集的計算方法 7.2 用MATLAB求解二次型最優(yōu)控制問題 附錄A 補(bǔ)充資料 MATLAB命令索引

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   經(jīng)常用來在二維圖形上添加文本的另一個命令是gtext。命令gtext（'string'）顯示圖形窗口，畫出一個十字細(xì)線，等待鼠標(biāo)點(diǎn)擊或按鍵盤鍵。十字細(xì)線可以用鼠標(biāo)定位。按下鼠標(biāo)按鈕或任何鍵就可以將該文本字符串寫到圖形的所選位置上。 虛數(shù)和復(fù)數(shù)。如果z是復(fù)數(shù)向量，那么plot（z）就相當(dāng)于plot（real（z），imag（z））。就是說，plot（z）能夠繪制z的以虛部和實部為軸的圖形。 極坐標(biāo)圖。命令polar（theta，rho）會在極坐標(biāo)系中給出以角度theta（單位為弧度）和半徑rho為軸的圖形。隨后再使用命令grid可以繪制極坐標(biāo)網(wǎng)格線。 對數(shù)坐標(biāo)圖。下列命令能夠生成指定的圖形： loglog： 采用log10-log10標(biāo)度的圖形 semilogx：采用半對數(shù)標(biāo)度的圖形，x軸是log10，y軸為線性標(biāo)度 semilogy：采用半對數(shù)標(biāo)度的圖形，y軸是log10，x軸為線性標(biāo)度 自動繪圖算法。在MATLAB中，圖形可以自動標(biāo)度。如果需要顯示另一個圖形，舊圖就被擦除，坐標(biāo)軸會自動重新標(biāo)度。瞬態(tài)響應(yīng)曲線、根軌跡圖、伯德圖、奈奎斯特圖等的自動繪圖算法被設(shè)計得能和范圍很廣的系統(tǒng)一道使用，但它們并不總是十分完美。所以，在某些情況下，人們可能會希望推翻命令plot的自動坐標(biāo)軸標(biāo)度特性，改為手動選擇繪圖界限。

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