反馈控制系统设计与分析-MATLAB语言应用 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:薛定宇

出品人:

页数:405

译者:

出版时间:2000-04

价格:36.00

装帧:平装

isbn号码:9787302008538

丛书系列:

图书标签:

反馈
matlab
1
控制系统
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系统设计
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信号处理
数学建模

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具体描述

MATLAB语言的两个最显著特点，即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化

功能，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。现在，MATLAB语言不但

广泛应用干控制领域，也应用干其它的工程和非工程领域。在控制界，很多知名学者都

为其擅长的领域写出工具箱，而其中很多工具箱已经成为该领域的标准，如本书深入介

绍的控制系统工具箱。

子曰：“工欲善其事，必先利其器”。作者认为，以MATLAB语言为主线，全面介绍

反馈控制系统分析与设计的基本理论和计算机实践，无疑会对学生深入理解反馈控制的

基本原理、掌握一个能方便进行控制系统分析和设计的工具大有裨益．因为掌握了这样

一门工具后，可以把控制系统的研究者从繁琐的计算机程序编码中解放出来，将精力更

有效地投放在解决专业技术的问题上；这当然会使得研究人员的研究效率大大地提高。

作者1996年在清华大学出版社出版的《控制系统计算机辅助设计一MATLAB语言

与应用》一书受到了国内外中文读者的普遍欢迎．

本书不是作者早期著作的再版；而是以更系统的角度全面介绍单变量反馈控制系统

分析与设计的理论问题、介绍了MATLAB语言及相应工具箱在控制系统分析与设计中

应用的教材。本书既包括了传统控制理论课程中的核心内容，又适当地引人控制系统理

论的新进展。诸如控制系统的鲁棒分析、PID类控制器的各种设计方法及线性系统的鲁

棒控制等问题，形成了一个完整的体系。

本书1997年底初步形成，并以英文讲义的形式印刷发行，其中大部分内容曾在东北

大学自动化类专业高年级本科生教学中实际使用，收到了预期的效果，受到了学生的欢

迎。同时，作者还开发了基于MATLAB语言的反馈控制系统计算机辅助分析与设计程

序CtrlLAB,该软件在互联网上公布以来，引起了世界上很多用户的兴趣，许多学校将

其作为教学软件。

本书可作为高校自动化技术专业及相关专业的研究生与高年级本科生反馈控制课程

教材，也可作为“自动控制原理”、“线性系统”、“控制系统计算机辅助设计”等课程的

教材或参考书，还可供其它专业的学生和科技工作者、教师作为学习自动控制理论的参

考材料。

本书由东北大学控制仿真研究中心徐心和教授主审。本书从酝酿到整个写作过程始

终得到徐老师的鼓励和支持，他仔细地阅读了全书原稿，并提出了许多建设性的宝贵意

见。作者的导师、东北大学任兴权教授、英国 Sussex大学的 Derek P Atherton教授也对

本书的最终成形提供了很多帮助。

作者的一些同事和朋友也先后给予作者许多建议，并使作者获得了许多有益的信息

和材料，这当中包括新加坡 Seagate公司的陈阳泉博士、加拿大 Northern Telecom公司

的庄敏霞博士、新加坡国立大学的葛树志博士、南非Pretoria大学的夏小华教授、新加

坡大众钢铁公司的张慧先生、英国谢菲尔德大学的杨永耀博士、吴占元博士、郎自强博

士、诸自强博士、香港城市大学的谢力博士、东北大学控制仿真研究中心的郝培锋博士、

肖文栋博士等，在英文讲义试用本完成以来还得到许多国内外同行的建议和意见，在此

作者表示衷心的感谢．

本书在出版过程中得到清华大学出版社蔡鸿程总编的关怀和帮助，在此深表谢意．

本书的出版还得到了 MAILAB软件的开发者――美国 The MathWorks公司图书计

划的支持，如果读者想购买MATLAB软件及系列产品，请和该公司直接联系：

The MathWorks, Inc.

3 Apple Hill Drive

Natick, MA, 01760-2098 USA

Tel：508-647-7000

Fax： 508-647-7101

E-mail: info@mathworks．com

Web： www．mathworks.com

由于作者水平有限，书中的缺点错误在所难免，欢迎读者批评指教。

几年来，作者的妻子杨军在生活和事业上给予了作者莫大的帮助与鼓励，作者谨以

此书献给她和女儿薛杨。

现代控制理论基础与实践第一部分：经典控制理论的基石本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代控制理论学习路径，重点关注经典控制理论的严谨基础及其在实际工程中的应用。我们首先从控制系统的基本概念入手，详细阐述线性与非线性系统的建模方法。对于线性时不变（LTI）系统，我们将深入探讨传递函数、状态空间表示法，以及它们之间的相互转换。系统的时域分析是理解其动态行为的关键，因此，本书将详尽介绍一阶和二阶系统的瞬态响应特性，如超调量、调节时间和稳态误差，并引入了根轨迹分析法这一强大的设计工具。频率响应分析作为经典控制理论的核心支柱，占据了重要的篇幅。我们将系统地介绍Bode图、Nyquist图的绘制与解读，这些图谱是分析系统稳定性和性能的基石。基于频率响应的分析方法，如增益裕度和相位裕度的计算，将帮助工程师量化系统的稳定性水平。此外，对系统的稳态误差分析，特别是Type 0、Type 1和Type 2系统的分析，为控制器参数的选取提供了明确的指导。在控制器设计方面，本书系统地涵盖了PID控制器的理论基础、整定方法（如Ziegler-Nichols法和基于性能指标的优化方法）。我们不仅关注理论推导，更强调PID控制器在实际工业过程中的应用挑战和调优技巧。对于更复杂的系统，诸如超前-滞后补偿器的设计，如何利用它们来改善系统的相位特性和带宽，也将进行详细的讲解和算例演示。第二部分：现代控制理论的深化随着工程复杂度的提升，经典控制方法在多输入多输出（MIMO）系统和强耦合系统中的局限性日益凸显。因此，本书将重点转向现代控制理论，特别是状态空间方法。我们从向量空间理论出发，复习线性代数中对现代控制理论至关重要的概念，如线性变换、特征值、特征向量。状态空间模型的建立是现代控制理论的起点。本书详细介绍了如何从物理系统（如机械、电气系统）推导出标准的$dot{mathbf{x}} = mathbf{Ax} + mathbf{Bu}$形式。系统的能控性和能观测性分析是现代控制设计的前提，我们将基于可控性矩阵和可观测性矩阵，阐述如何判断系统是否可以完全设计。基于状态空间分析，我们深入研究了系统的稳定性分析，包括李雅普诺夫稳定性理论，这为分析非线性系统和复杂的线性系统提供了理论框架。状态反馈极点配置是现代控制设计的基础技术之一，本书将详细推导极点配置的公式，并讨论如何利用极点配置来达到期望的动态性能。对于状态无法完全测量的系统，我们引入了状态观测器（如Luenberger观测器）的设计，讨论了观测器增益的选择以及观测器与控制器之间的分离原理。第三部分：先进控制技术与鲁棒性为应对模型不确定性、外部扰动和参数变化带来的挑战，本书引入了先进的控制策略。最优控制理论是其中极其重要的一环。我们将重点介绍LQR（线性二次型调节器）的设计，解释性能指标函数（二次型代价函数）的物理意义，并推导代数黎卡提方程（ARE）的解法，以确定最优反馈增益。在鲁棒性方面，本书超越了传统基于裕度的分析，引入了$mathcal{H}_{infty}$控制理论。虽然$mathcal{H}_{infty}$控制涉及更复杂的数学工具，但本书将以工程应用为导向，解释其核心思想：最小化系统对噪声和扰动的敏感度。我们将讨论如何将控制问题转化为求解满足特定不等式条件的LMI（线性矩阵不等式）问题，尽管具体的求解过程可能需要专业软件支持，但理解其构建思想对前沿研究至关重要。对于非线性系统的控制，本书提供了几种实用的入门方法。我们讨论了基于反步法（Backstepping）的递阶设计思想，这是一种强大的、模块化的非线性控制器设计方法。此外，滑模控制（SMC）因其对模型不确定性的强大鲁棒性，在航空航天和高速运动控制领域有广泛应用，本书将详细阐述滑模面的设计、等效控制的计算以及如何处理抖振现象。第四部分：系统辨识与数字化实现理解被控对象是有效控制设计的前提。本书包含了系统辨识的基础内容，讲解了如何利用实验数据（输入/输出序列）来估计系统的数学模型。我们将介绍参数估计方法，如最小二乘法，并讨论如何选择合适的模型结构（如ARX模型）。最后，考虑到现代工业控制的数字化特性，本书探讨了从连续时间模型到离散时间模型的转换（如零阶保持器和一阶保持器方法），以及采样周期的选择对控制性能和稳定性的影响。离散时间控制器的设计，包括基于Z变换的分析方法，是连接理论与实际数字控制器实现的桥梁。本书的目标读者是控制工程、自动化、机械、电子等相关专业的学生、研究人员和工程师。它不仅提供了坚实的理论框架，更强调了理论工具在解决真实世界工程问题中的应用能力。通过严谨的逻辑和丰富的工程实例，读者将能够全面掌握现代控制系统的分析、综合与实现技术。

作者简介

目录信息

第1章反馈控制系统引论
1．1 反馈控制系统的基本结构
1．2 反馈控制理论的发展综述
1．3 本书的结构
1．4 计算机辅助工具 MATLAB语言简介
1．4、1 MATLAB语言引论
1．4．2 标准MATLAB语句与函数
1．4．3 MATLAB语言的图形功能
1．4．4 MATLAB语言的联机帮助功能
1．4．5 MATLAB工具箱介绍
习题
第2章反馈控制系统的数学模型
2．1 系统建模举例
2．2 Laplace变换与传递函数模型
2．3 其它数学模型的表示方法
2．3．1 状态方程模型
2．3．2 零极点模型
2．4 相互连接框图的模型表示
2．4．1 串联连接结构
2．4．2 并联连接结构
2．4．3 反馈连接结构
2．4．4 更复杂的连接结构
2．5 不同模型对象间的相互转换
2．5．1 由LTI对象转换为传递函数
2．5．2 将LTI对象转换成零极点模型
2．5．3 系统的状态方程实现
2．6 更复杂系统的模型处理方法
2．6．1 Simulink建模方法
2．6．2 非线性系统的线性化
习题
第3章线性控制系统的性质
3．1 线性系统的稳定性分析
3．1．1 直接判定方法
3．1．2 间接判定方法
3．1．3 反馈控制系统的内部稳定性
3．2 控制系统的可控性和可观测性分析
3．2．1 系统的可控性分析
3．2．2 系统的可观测性分析
3．2．3 系统的可控性和可观测性 Gram矩阵
3．2．4 系统的可镇定性和可检测性分析
3．3 线性系统的Kalman分解
3．3．1 Kalman分解
3．3．2 最小实现问题的再认识
3．4 系统的时间矩量与 Markov参数
3．4．1 关于s＝0展开――时间短量
3．4．2 关于s＝∞展开―― Markov参数
3．5 反馈控制系统的鲁棒性分析
3．5．1 信号与系统的范数测度
3．5．2 计算H↓2范数的方法
3．5．3 计算H∞范数的方法
3．5．4 灵敏度和补灵敏度函数
3．5．5 稳定性裕量分析
习题
第4章线性系统的时域分析
4．1 系统时域响应的解析解算法
4．1．1 部分分式展开方法
4．1．2 状态空间解法
4．2 二阶系统的演示例子
4．2．1 解析解研究
4．2．2 不同参数下的系统响应比较
4．2．3 脉冲响应分析
4．3 线性系统的阶跃响应分析
4．3．1 时域响应指标
4．3．2 求取阶跃响应的方法
4．4 线性系统的脉冲响应分析
4．5 任意输入下的时域响应分析
4．5．1 利用MATLAB进行线性系统分析
4．5．2 应用MATLAB语言分析非线性系统
4．5．3 应用 Simulink分析系统时域响应
4．6 带有延迟的系统时域响应分析
4．6．1 时间延迟函数的Pade近似
4．6．2 闭环系统的近似分析
4．7 控制系统工具箱中的系统分析工具 LTIView
习题
第5章线性系统的复域与频域分析
5．1 线性系统的根轨迹分析
5．1．1 二阶系统的根轨迹分析
5．1．2 根轨迹绘制原理
5．1．3 绘制根轨迹的MATLAB工具
5．1．4 主导极点的等δ和等ω↓n线
5．1．5 时间延迟系统的根轨迹
5．1．6 基于根轨迹的系统设计工具 RLTool
5．2 线性系统的频域分析与 Nyquist图
5．2．1 频域分析入门
5．2．2 Nyquist图的一般描述
5．2．3 二阶系统的Nyquist图
5．2．4 Nyquist图与稳定性定理
5．2．5 常规Nyquist图的非线性变换
5．3 线性系统的闭环频域响应
5．3．1 等M圆与等N圆
5．3．2 频域响应的闭环特性
5．4 线性系统的 Bode图分析
5．4．1 线性系统的 Bode图
5．4．2 二阶系统的Bode图
5．4．3 Bode图的渐近线
5．4．4 由BOde图判定系统稳定性
5．4．5 应用MATLAB绘制Bode图
5．5 Nichols曲线
5．5．1 等M（ω）线和等α（ω）线
5．5．2 Nichols曲线的系统分析方法
5．6 系统颁域分析的其它内容
5．6．1 幅值裕量与相位裕量
5．6．2 非最小相位系统的频域响应
5．6．3 时间延迟系统的频域响应
5．6．4 灵敏度函数的频域表示
习题
第6章控制系统的经典设计技术
6．1 串联超前滞后补偿器设计
6．1．1 超前滞后校正入门
6．1．2 由相位裕量设定的方法进行超前滞后校正
6．2 线性二次型最优控制
6．2．1 线性二次型最优控制策略
6．2．2 线性二次型调节器问题
6．2．3 加权矩阵选择
6．2．4 观测器与观测器设计
6．2．5 状态反馈与基于观测器的调节器与控制器设计
6．3 极点配置控制器设计
6．3．1 极点配置算法
6．3．2 部分极点配置问题
6．3．3 应用极点配置技术设计观测器
6．3．4 基于观测器的极点配置调节器与控制器
6．4 模型跟踪控制
6．4．1 不同指标下的标准模型格式
6．4．2 模型跟踪控制器设计
司题
第7章 PID控制器设计
7．1 PID控制器简介
7．1．1 比例、积分、微分控制作用分析
7．1．2 微分动作在反馈回路的PID控制
7．2 Ziegler－Nichols整定公式
7．2．1 Ziegler－Nichols整定经验公式
7．2．2 微分动作在反馈回路中实现的控制
7．2．3 带有时间延迟的一阶系统模型拟合
7．2．4 改进的Ziegler－Nichols整定公式
7．3 其它PID控制器的整定方法
7．3．1 PID控制器的 Chien－Hrones－Reswick整定算法
7．3．2 Cohen－Coon整定公式
7．3．3 精调的 Ziegler－Nichols整定算法
7．3．4 预测性PI整走算法
7．4 高级PID整定方法
7．4．1 幅值与相位裕量设定的算法
7．4．2 内部模型控制器
7．4．3 极点配置控制器整定
7．5 最优PID控制器设计
7．5．1 设定点最优PID控制器整定
7．5．2 扰动抑制的PID控制器整定
7．5．3 基于福值和相位裕量设定PID控制器设计
7．5．4 改进的幅值相位方法
7．6 PID控制的进一步内容
7．6．1 积分器回绕与抗回绕 PID控制器
7．6．2 自整定PID控制器
7．6．3 控制策略选择
习题
第8章鲁棒控制系统设计
8．1 线性二次型 Gauss控制
8．1．1 线性二次型 Gauss问题
8．1．2 使用 MATLAB求解 LQG问题
8．1．3 带有回路传输恢复的LQG控制
8．2 鲁棒控制问题的一般描述
8．2．1 小增益定理
8．2．2 非结构化的不确定性
8．2．3 鲁棒控制结构
8．2．4 MATLAB环境下的模型表示
8，2．5 处理虚轴上的极点
8．3　H∞控制器设计
8．3．1 在加权函数下增广系统模型
8．3．2 在MATLAB下进行加权模型增广
8．3．3 加权灵敏度问题――一个简单的情况研究
8．3．4 　H∞控制器设计――一般问题考虑
8．3．5 最优H∞控制器设计
8．4　最优H↓2控制器设计
8．5 关于H∞控制器设计的其它问题
8．5．1 特殊的H∞控制结构
8．5．2 H∞控制中加权函数的影响
8．5．3 灵敏度问题的加权函数选择
习题
参考文献
附录A Laplace变换的计算机求解
A．1 基本 Laplace变换表
A．2 其它函数的导出变换
A．3 计算机辅助Laplace变换求解
A．3．1 应用Mathematica软件进行Laplace变换
A．3．2 使用 MAfLAB的符号运算工具箱进行 Laplace变换
习题
附录B 反馈系统分析与设计工具CtrlLAB简介
B．1 引言
B．1．1 CtrlLAB简介
B．1．2 程序安装与系统要求
B．1．3 CtrlLAB程序的运行
B．1．4 CtrlLAB的版权与声明
B．2 系统模型输入与转换
B．2．1 传递函数模型输入
B．2．2 其它模型表达式输入
B．2．3 更复杂的系统模型的输入
B．3 模型变换与降阶
B．3．1 模型显示
B．3．2 状态方程实现
B．3．3 模型降阶
B．4 控制系统分析
B．4．1 控制系统的频域分析
B．4．2 控制系统的时域响应分析
B．4．3 系统特性分析
B．5 系统设计的应用实例
B．5．1 经典控制系统设计功能
B．5．2 PID控制器设计
B．5．3 鲁棒控制器设计
B．6 基于图形界面的辅助工具
B．6．1 矩阵处理程序
B．6．2 图形处理程序
习题
附录 C 作者编写的MATLAB函数清单
索引
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，对我而言更像是一场思维方式的重塑之旅。它不仅仅是教授“如何做”，更重要的是引导读者去思考“为什么是这样”。作者在阐述反馈回路的稳定性判据时，那种深入到根源的探讨，让我对控制系统的本质有了更深层次的理解。我感觉自己不再是机械地套用公式，而是开始真正地“理解”了系统的动态行为。书中对鲁棒性分析和抗干扰能力的讨论，尤其体现了现代控制理论的前瞻性。这种强调系统内在品质的视角，远比单纯追求一个目标点的精确跟踪要高明得多。它教会了我如何构建一个在现实世界复杂多变环境下依然可靠的系统，这对于任何一个严肃的控制系统设计者来说，都是必备的素养。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构布局实在是太有条理了，简直是为工程师量身打造的实用手册。它没有过多纠缠于那些过于抽象的数学证明，而是直接切入到实际的控制问题解决上。我特别欣赏它在设计环节所采用的循序渐进的方法，从基本PID控制器的整定，到更复杂的现代控制策略，每一步都有明确的步骤指导和清晰的参数选择依据。这对于我们这些在生产一线需要快速解决问题的技术人员来说，简直是福音。翻阅这本书，就像是手里拿着一个经验丰富的前辈的笔记，每页都充满了“这样做会更有效”的实用建议。而且，书中对各种设计方法的适用范围和局限性分析得非常到位，避免了盲目套用公式可能带来的风险，这一点在工程实践中至关重要。

评分☆☆☆☆☆

从排版和可读性上讲，这本书的表现也令人印象深刻。虽然内容涉及大量专业术语和公式，但作者似乎深知读者的不易，在关键概念的解释上使用了大量的图示和简化模型来辅助理解。这些辅助材料的设计非常巧妙，它们不是简单的装饰，而是真正起到了“点睛”的作用，将文字的局限性完美地弥补了。对比我之前看过的几本同类书籍，这本书在图文配合上的平衡把握得恰到好处，使得长时间阅读也不会产生强烈的疲劳感。特别是那些复杂的系统框图，绘制得清晰明确，线条分明，即便是第一次接触这些模型的读者，也能迅速抓住其核心逻辑关系。

评分☆☆☆☆☆

这本关于控制系统设计的书，内容简直是教科书级别的深度和广度。作者在处理系统建模和分析时，那种严谨的数学推导和清晰的逻辑架构，让人不得不佩服。我记得书中花了大量篇幅讲解了经典控制理论，从频域分析到时域响应，每一个细节都剖析得入木三分。尤其是对于传递函数和状态空间表示的对比论述，视角非常独特，能帮助读者建立起更宏观的认识。对于初学者来说，可能需要花一番功夫啃下来，但一旦理解了其中的精髓，对后续学习和实际应用都会有巨大的帮助。书中还穿插了一些经典的工程案例，这些案例的引入不仅仅是为了增加趣味性，更是为了展示理论如何落地生根，这种理论与实践紧密结合的编排方式，是很多同类书籍所欠缺的。阅读过程中，我能感受到作者对于知识传授的热情和耐心，使得一些原本晦涩难懂的概念也变得平易近见了许多，让人在挑战自我的同时，收获满满。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我最大的震撼在于其广阔的视野和对未来趋势的把握。它没有仅仅停留在经典的线性系统理论上，而是将大量篇幅投入到非线性控制、自适应控制以及最优控制等前沿领域。作者在介绍这些高级主题时，并没有采用高高在上的说教姿态，而是用一种邀请探索的语气，引导读者进入更深层次的研究领域。这种对技术发展保持敏锐洞察力的态度，使得这本书的价值超越了一本单纯的教材，更像是一份引领未来研究方向的指南。对于有志于在控制科学领域深耕的读者而言，这本书无疑是提供了一个坚实的基础和无限的想象空间，让人对后续的学习和创新充满了期待。

评分☆☆☆☆☆