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第一章 MATLAB基础1

1.1 MATLAB简介1

1.1.1 MATLAB的发展历程1

1.1.2 MATLAB平台的组成2

1.1.3 MATLAB语言的特点3

1.2 MATLAB的安装和使用4

1.2.1 MATLAB的安装4

1.2.2 MATLAB操作界面5

1.3 MATLAB的工作空间8

1.3.1 工作空间8

1.3.2 内存变量的查阅和删除8

1.3.3 数组编辑器9

1.3.4 数据文件的操作10

1.4 MATLAB的帮助系统11

1.4.1 普通文本帮助11

1.4.2 超文本帮助12

1.5 MATLAB平台的系统设置13

1.5.1 路径设置13

1.5.2 个性选项14

1.6 MATLAB编程基础14

1.6.1 变量15

1.6.2 基本数据类型15

1.6.3 基本语句15

1.6.4 关于程序编辑16

小结16

习题16

第二章 数据结构及其运算17

2.1 数据类型17

2.2 一维数组18

2.2.1 一维数组的创建18

2.2.2 一维数组的访问19

2.3 二维数组20

2.3.1 二维数组的创建20

2.3.2 二维数组的访问20

2.4 多维数组23

2.4.1 多维数组的创建23

2.4.2 多维数组的访问24

2.5 数组操作25

2.5.1 标准数组的生成25

2.5.2 数组操作27

2.6 数组运算与矩阵运算30

2.6.1 数组运算30

2.6.2 矩阵运算31

2.6.3 特殊的运算结果33

2.7 多项式33

2.7.1 多项式的创建34

2.7.2 多项式的运算34

2.8 关系运算、逻辑运算和运算符36

2.8.1 逻辑值36

2.8.2 关系运算符36

2.8.3 逻辑运算符37

2.8.4 逻辑函数37

2.8.5 运算符及其优先级39

2.9 字符串数组40

2.9.1 字符与字符串40

2.9.2 字符串数组的访问41

2.9.3 字符串转换函数41

2.9.4 字符串操作函数41

2.10 细胞数组42

2.10.1 细胞数组的数据结构42

2.10.2 细胞数组的访问42

2.11 结构体数组44

2.11.1 结构体数组的数据结构44

2.11.2 结构体数据的访问44

2.11.3 结构体数组的创建44

小结46

习题46

第三章 数据的可视化48

3.1 数据可视化基础48

3.1.1 图形窗口48

3.1.2 离散数据的准备49

3.1.3 数据可视化的基本步骤50

3.2 二维图形50

3.2.1 基本二维图形51

3.2.2 绘图属性控制52

3.2.3 绘图窗口的属性控制53

3.2.4 图形标注54

3.2.5 图形交互命令56

3.3 三维图形56

3.3.1 基本三维图形56

3.3.2 三维网线和曲面57

3.4 常用函数的绘图58

3.4.1 一元函数的绘图58

3.4.2 二元函数的绘图59

3.5 数据可视化的其他方面60

3.5.1 特殊图形60

3.5.2 三维图形的精细控制60

3.5.3 图像61

小结61

习题61

第四章 M文件和程序设计63

4.1 程序控制语句63

4.1.1 分支控制63

4.1.2 循环控制65

4.1.3 异常检测66

4.1.4 人机交互控制67

4.1.5 其他程序流控制语句67

4.2 命令文件和函数文件68

4.2.1 命令文件68

4.2.2 函数文件69

4.2.3 函数文件的组成69

4.2.4 函数的输入和输出变量70

4.2.5 有关工作空间73

4.2.6 子函数和私有函数74

4.3 字符串的求值75

4.3.1 字符串表达式计算75

4.3.2 字符串函数计算76

4.3.3 内联函数76

4.4 程序性能优化79

4.4.1 源代码级的优化79

4.4.2 程序加速器80

4.5 面向对象编程80

4.5.1 类和对象81

4.5.2 属性和方法81

4.5.3 构造函数81

4.5.4 重载81

4.5.5 继承82

4.5.6 创建新类82

小结82

习题82

第五章 数值计算84

5.1 线性代数84

5.1.1 LU分解84

5.1.2 特征值和特征向量85

5.1.3 奇异值分解86

5.1.4 线性方程组的解86

5.2 函数分析88

5.2.1 函数的零点88

5.2.2 函数的极值点90

5.2.3 数值微分91

5.2.4 数值积分91

5.3 数据拟合93

5.3.1 多项式拟合93

5.3.2 最小二乘拟合94

5.4 插值和样条96

5.4.1 插值96

5.4.2 样条97

5.5 常微分方程的数值解99

5.5.1 ODE文件的编写99

5.5.2 solver解算指令99

小结101

习题102

第六章 符号计算103

6.1 符号对象的创建103

6.1.1 符号对象的生成103

6.1.2 符号常量103

6.1.3 符号变量与符号表达式104

6.1.4 符号数学函数105

6.1.5 符号数值计算的精度106

6.1.6 符号对象与其他数据类型之间的转换107

6.2 符号对象的代数运算108

6.2.1 符号对象的运算108

6.2.2 符号表达式分解、展开与化简109

6.2.3 符号表达式的置换操作110

6.2.4 符号函数的反函数111

6.2.5 符号函数的复合函数111

6.3 符号微积分112

6.3.1 符号微分和雅可比矩阵112

6.3.2 函数极限113

6.3.3 符号积分113

6.3.4 符号序列求和114

6.4 符号方程求解115

6.4.1 符号代数方程组的解115

6.4.2 符号微分方程116

6.5 积分变换117

6.5.1 博里叶变换及其反变换117

6.5.2 拉普拉斯变换及其反变换118

6.5.3 z变换及其反变换118

6.6 Maple的应用119

6.6.1 经典特殊函数的调用119

6.6.2 Maple函数的调用120

6.6.3 Maple工具的帮助系统120

小结121

习题121

第七章 Simulink基础122

7.1 Simulnk简介122

7.2 Simulink的基本操作123

7.2.1 Simulink的运行123

7.2.2 常用的标准模块123

7.2.3 模块的操作124

7.3 系统仿真及参数设置127

7.3.1 算法设置127

7.3.2 工作空间设置128

7.4 Simulink模块库130

7.4.1 信号源模块库130

7.4.2 连续系统模块库131

7.4.3 离散系统模块库132

7.4.4 数学运算模块库133

7.4.5 输出模块库134

7.4.6 非线性系统模块库135

7.5 Simulink子系统135

7.5.1 Simulink子系统简介135

7.5.2 Simulink高级子系统应用138

7.5.3 封装子系统138

7.6 S函数的建立146

7.6.1 S函数的调用格式146

7.6.2 S函数的模板格式147

小结150

习题150

第八章 控制系统的数学模型152

8.1 线性定常系统的数学模型152

8.1.1 传递函数模型152

8.1.2 零极点模型153

8.1.3 状态空间模型155

8.1.4 频率响应数据模型156

8.1.5 离散系统的数学模型156

8.1.6 随机生成稳定的控制系统157

8.2 LTI模型的属性157

8.2.1 LTI模型的属性描述157

8.2.2 访问LTI模型的属性161

8.3 数学模型之间的转换162

8.3.1 LTI对象之间的转换162

8.3.2 LIT对象属性之间的转换162

8.3.3 连续系统和离散系统之间的转换163

8.4 系统模型的运算165

8.4.1 子系统165

8.4.2 数学运算符165

8.4.3 系统组合166

8.5 数学模型的分析函数171

8.5.1 模型分析函数171

8.5.2 模型分析举例172

小结175

习题175

第九章 控制系统的分析177

9.1 线性系统的时域响应177

9.1.1 单位阶跃响应177

9.1.2 理想单位脉冲响应182

9.1.3 零输入响应183

9.1.4 任意输入响应184

9.2 线性系统的根轨迹186

9.2.1 根轨迹绘制186

9.2.2 计算根轨迹增益186

9.3 线性系统的频域响应188

9.3.1 奈奎斯特（Nyquist）图188

9.3.2 伯德（Bode）图189

9.3.3 幅值和相角裕度计算190

9.3.4 尼柯尔斯（Nichols）图194

9.4 线性系统的稳定性分析194

9.4.1 直接判定方法194

9.4.2 间接判定方法195

9.5 离散系统的分析197

小结199

习题199

第十章 基于传递函数模型的控制系统设计200

10.1 概述200

10.2 根轨迹法201

10.2.1 串联超前校正201

10.2.2 串联滞后校正207

10.3 伯德图法211

10.3.1 串联超前校正211

10.3.2 串联滞后校正215

10.3.3 串联超前-滞后校正221

10.3.4 反馈校正223

10.4 PID控制228

10.4.1 比例、积分、微分控制作用的分析228

10.4.2 齐格勒-尼柯尔斯（Ziegler-Nichols）整定法则235

小结240

习题241

第十一章 基于状态空间模型的控制系统设计242

11.1 概述242

11.2 极点配置243

11.2.1 单输入系统的极点配置244

11.2.2 多输入系统的极点配置244

11.2.3 用极点配置设计调节系统246

11.2.4 用极点配置设计伺服系统248

11.3 线性二次型最优控制255

11.3.1 无限时间LQ状态调节问题255

11.3.2 无限时间LQ输出调节问题258

11.3.3 最优跟踪问题259

11.4 解耦控制261

11.4.1 输入-输出动态解耦262

11.4.2 输入-输出静态解耦263

11.5 状态观测器设计264

11.5.1 全维状态观测器设计265

11.5.2 降维状态观测器设计267

11.6 包含状态观测器的状态反馈控制系统270

11.6.1 基于全维状态观测器的控制器271

11.6.2 基于全维状态观测器的调节器273

小结278

习题278

第十二章 控制系统仿真280

12.1 状态空间法仿真280

12.1.1 四阶龙格-库塔法280

12.1.2 闭环模型的建立281

12.2 非线性环节的仿真284

12.2.1 饱和非线性环节仿真284

12.2.2 死区非线性环节仿真285

12.2.3 间隙非线性环节仿真285

12.3 离散系统仿真287

12.3.1 差分方程法287

12.3.2 z变换法289

12.4 典型环节的Simulink仿真291

12.4.1 带延迟环节系统的Simulink仿真291

12.4.2 含非线性环节系统的Simulink仿真292

12.4.3 离散系统的Simulink仿真295

小结296

习题297

第十三章 控制系统工具箱299

13.1 线性时不变系统浏览器—LTI Viewer299

13.1.1 LTI Viewer简介299

13.1.2 LTI Viewer命令菜单及窗口设置299

13.1.3 LTI Viewer对象模型302

13.1.4 LTI Viewer属性设置302

13.2 单输入、单输出系统设计工具—SISO Design Tool305

13.2.1 SISO Design Tool简介305

13.2.2 SISO Design Tool命令菜单简介306

小结317

习题317

第十四章 控制系统建模与仿真的应用318

14.1 数字PID控制器的仿真318

14.2 一级倒立摆系统的控制与仿真320

14.2.1 系统建模320

14.2.2 模型仿真321

14.2.3 PID控制器设计及仿真325

14.2.4 LQR控制器设计及仿真328

14.3 二级倒立摆系统的控制与仿真332

14.3.1 系统建模332

14.3.2 LQR控制器设计及仿真336

14.3.3 数字再设计339

14.4 双闭环调速系统的设计与仿真348

14.4.1 系统建模348

14.4.2 控制器设计349

14.4.3 系统仿真349

14.5 过程控制系统的仿真352

14.5.1 系统建模353

14.5.2 控制器参数整定354

14.5.3 系统仿真358

小结359

习题359

附录A MATLAB常用命令361

附录B 控制系统工具箱367

附录C Simulink仿真系统模块库370

附录D 部分源程序清单373

参考文献383