System Design Through MATLAB Control Toolbox and SIMULINK pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Singh, Krishna/ Agnihotri, Gayatri

出品人:

页数:512

译者:

出版时间:2000-9

价格:$ 111.87

装帧:Pap

isbn号码:9781852333379

丛书系列:

图书标签:

• Matlab
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《系统建模与仿真：MATLAB及Simulink精粹》 内容简介 在现代工程设计与科学研究领域，高效、准确的系统建模与仿真技术是实现创新与优化的关键。本书《系统建模与仿真：MATLAB及Simulink精粹》正是为满足这一迫切需求而精心编撰。本书深入浅出地介绍了如何运用强大的MATLAB环境及其核心工具箱，特别是Simulink，来进行复杂系统的建模、分析、仿真与优化。我们旨在为读者提供一套全面、实用的方法论与实践指南，帮助其熟练掌握从理论概念到实际应用的全过程。 本书并非一本单纯的软件操作手册，而是侧重于如何将工程领域的学科知识与MATLAB/Simulink强大的建模仿真能力相结合，以解决实际工程问题。我们将重点关注系统动力学、控制理论、信号处理、通信系统、电力电子以及其他关键工程领域中的典型问题，并展示如何利用MATLAB/Simulink的丰富功能来构建模型、验证设计、评估性能并最终优化系统。 第一部分：MATLAB基础与系统建模 本部分将从MATLAB的基础知识入手，为读者建立起坚实的平台。我们将介绍MATLAB的命令窗口、脚本编写、变量与数据类型、基本运算、函数定义与调用等核心概念。在此基础上，我们将深入讲解MATLAB在数据处理、可视化与分析方面的强大能力，包括数组操作、矩阵运算、文件I/O、二维与三维绘图、数据导入导出等。 随后，我们将重点转向使用MATLAB进行系统建模。这部分内容将涵盖如何利用MATLAB的符号计算工具箱（Symbolic Math Toolbox）进行代数方程、微分方程的解析求解与化简，以及如何使用MATLAB的矩阵运算能力来描述线性系统的状态空间或传递函数模型。我们还将探讨如何构建多项式、有理函数以及其他数学模型，为后续的仿真奠定基础。 第二部分：Simulink核心与建模实践 Simulink作为MATLAB不可分割的一部分，是本书的核心内容之一。我们将系统地介绍Simulink的图形化建模环境，包括模型工作空间、库浏览器、模块的添加与连接、参数配置等。读者将学习如何利用Simulink丰富的预定义模块库，如连续时间、离散时间、物理信号、用户定义函数等，来构建各种系统的仿真模型。 本书将详尽阐述Simulink中的建模范式，包括： 连续时间系统建模： 演示如何利用积分器、微分器、传递函数模块、状态空间模块等来构建连续时间动态系统的模型，并结合Simulink的仿真器（如ode45、ode15s）进行数值求解。 离散时间系统建模： 介绍如何使用延迟模块、离散传递函数模块、离散状态空间模块等来描述离散时间系统，并理解采样时间、离散化方法（如零阶保持、一阶保持）对仿真结果的影响。 物理信号建模： 针对一些物理系统，如机械、电气、流体系统，我们将介绍如何使用Simulink的物理建模库（如Simscape）来创建直观、基于物理定律的仿真模型，从而避免复杂的数学推导。 信号处理系统建模： 讲解如何利用Simulink的DSP System Toolbox来构建滤波器、调制解调器、FFT分析器等信号处理模块，并进行通信系统的仿真。 面向对象建模（可选）： 对于更复杂的系统，我们将介绍Simulink对象模型（Simulink Stateflow）在建模状态机、流程逻辑方面的应用，以及如何将其集成到Simulink模型中。 第三部分：系统分析与性能评估 仅仅构建模型是不够的，本书将引导读者学习如何利用MATLAB和Simulink进行系统的深入分析与性能评估。 时域分析： 演示如何通过仿真获得系统的瞬态响应（如阶跃响应、脉冲响应）、稳态响应，并使用MATLAB的绘图功能进行详细的分析。我们将讲解如何根据仿真结果评估系统的稳定性、响应速度、超调量等关键性能指标。 频域分析： 介绍如何利用MATLAB的控制系统工具箱（Control System Toolbox）来计算系统的频率响应（如Bode图、Nyquist图、Nichols图），并利用这些工具来分析系统的带宽、增益裕度、相位裕度，从而判断系统的稳定性与鲁棒性。 根轨迹分析： 讲解如何使用MATLAB的根轨迹绘图功能来分析闭环系统极点随开环增益或参数变化的轨迹，并据此设计控制器以满足性能要求。 可控性与可观性分析： 介绍如何利用MATLAB的函数来判断系统的可控性与可观性，这是控制器设计的基础。 鲁棒性分析： 探讨如何使用MATLAB/Simulink工具来分析系统在参数不确定性或外部扰动下的性能表现，以及如何评估系统的鲁棒性。 第四部分：控制器设计与优化 控制器的设计是系统工程中的核心环节。本书将提供一套系统的控制器设计方法，并充分利用MATLAB/Simulink的强大功能。 PID控制器设计： 详细介绍PID控制器的原理，以及如何利用MATLAB的PID调优工具箱（PID Tuner）或基于频率响应的方法来整定PID参数，以达到理想的控制效果。 状态反馈控制器设计： 讲解如何根据系统模型设计极点配置控制器，实现对系统动态的精确控制。 观测器设计： 介绍如何设计状态观测器来估计系统中无法直接测量的状态量，并将其与状态反馈控制器结合。 模型预测控制（MPC）简介： 对MPC的基本原理进行介绍，并展示如何使用Simulink的MPC设计工具箱来构建预测控制器。 优化与调优： 介绍如何利用MATLAB的优化工具箱（Optimization Toolbox）或Simulink的仿真优化器（Simulation Optimization）来自动寻找最优的控制器参数或系统设计参数，以最小化成本函数或最大化性能指标。 第五部分：高级应用与案例研究 为了使读者更好地理解所学知识，本书将通过一系列具有代表性的案例研究，展示MATLAB/Simulink在不同工程领域的实际应用。这些案例将涵盖： 自动驾驶车辆控制系统仿真： 建模与仿真车辆动力学、传感器数据处理、路径规划与控制器设计。 机器人运动控制仿真： 建模机器人关节、执行器，设计路径跟踪与姿态控制算法。 电力系统仿真： 建立简化的电力网络模型，仿真潮流计算、暂态稳定性分析。 通信系统仿真： 搭建数字通信链路模型，仿真信道传输、信号解调与性能评估。 生物医学系统建模： 简要介绍如何利用MATLAB/Simulink对生理系统进行建模与仿真，例如药代动力学模型。 本书特色： 理论与实践紧密结合： 每一章节都紧密围绕实际工程问题展开，通过丰富的实例来阐述理论概念。 循序渐进的学习路径： 从MATLAB基础到Simulink高级应用，提供了一条清晰、易于理解的学习路线。 丰富的图示与代码示例： 大量直观的图形化模型、MATLAB代码和仿真结果，帮助读者更好地理解和掌握。 强调工程思维： 引导读者关注系统的整体设计、性能权衡与优化，培养解决实际工程问题的能力。 面向广泛的读者群体： 适用于自动化、电子工程、机械工程、航空航天、通信工程、生物医学工程等相关专业的本科生、研究生、工程师以及科研人员。 通过阅读本书，您将能够自信地运用MATLAB和Simulink这两个强大的工程工具，独立完成从系统概念设计到详细实现与优化的全过程，显著提升您的工程设计效率与创新能力。本书将是您在系统建模与仿真领域不可或缺的参考书。

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这本书的价值在于它构建了一套完整的“思维框架”，而不是简单地提供了一堆现成的工具箱说明书。我尤其欣赏作者在全书末尾对现代控制系统发展趋势的展望。它没有止步于经典的PID和状态反馈，而是对模型预测控制（MPC）和自适应控制进行了前瞻性的介绍，虽然篇幅不长，但足以激发读者的进一步探索欲望。最令我印象深刻的是，作者在讲解每个案例时，都非常注重工程实践中的“陷阱”——那些教科书上不会提及，但在实际调试中会遇到的问题。比如，如何处理Simulink中不同模块求解器的兼容性问题，或者在代码生成阶段可能遇到的资源限制。这种对细节的关注，让这本书不仅仅是一本教材，更像是一位经验丰富的导师，在旁边提醒你“在实际操作中，你需要注意这一点”。整体而言，这是一本极具指导意义的参考书。

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对于一个习惯于纯文本阅读的学习者来说，这本书中穿插的大量流程图和Simulink模型截图，起初让我有些不适应，但很快我就体会到了其巨大优势。图形化的表达方式极大地简化了对复杂信号流的理解。例如，在讲解反馈回路的设计时，作者通过一个清晰的框图，将前馈、反馈、滤波等多个控制环节的关系一目了然地展现出来，这比仅仅依赖文字描述要高效得多。此外，书中对仿真结果的分析部分也做得非常出色，它不仅仅展示了时域响应图，还经常辅以波特图或根轨迹图来解释系统稳定性和带宽特性，这种多维度的分析方法培养了读者从不同视角审视控制系统的能力。这本书强迫你不仅要“做”控制，更要“想”控制，思考为什么这个设计是当前环境下的最优解。

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坦白说，这本书的深度远超我预期的入门级教材。它真正体现了“System Design”的精髓——设计不仅仅是实现功能，更是关于权衡（Trade-offs）。在处理非线性系统动态时，书中对降阶模型和线性化方法的选择标准进行了深入的探讨，这一点我先前在其他资料中很少看到如此细致的讨论。作者花费了大量篇幅来强调建模的准确性与计算复杂性之间的平衡艺术。当我阅读到关于数字控制系统实现章节时，我意识到这本书的实用价值极高。它不仅讲解了连续时间系统，还详尽地介绍了如何将连续模型准确地离散化，并考虑了采样时间对系统稳定性和性能的影响，甚至触及了有限精度算术可能带来的实际工程问题，这表明作者拥有非常丰富的现场工程经验，使得这本书的格调一下子从纯学术提升到了专业应用层面。

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初翻这本书时，我对它厚重的篇幅和密集的公式符号感到有些敬畏，但深入阅读后，我发现作者在构建复杂系统概念时展现出了惊人的清晰度。特别是关于状态空间模型的推导部分，作者没有直接跳入高深的理论，而是通过一系列精心设计的、与实际工程问题紧密相关的案例，逐步引导读者理解如何将物理系统抽象为数学模型。书中对参数辨识和模型简化方法的介绍尤为精彩，这在许多教科书中往往是一笔带过的内容，但在本书中却得到了详尽的阐述，这对于那些希望将理论知识应用于真实世界控制系统设计的工程师来说，无疑是一笔宝贵的财富。我特别欣赏作者在介绍Simulink模块应用时的那种“手把手”的教学方式，它不仅仅是告诉你如何拖拽模块，更是深入解释了每个模块背后的控制理论基础，使得读者在搭建仿真模型时，心中有数，知道每一步的意义所在，而不是盲目地堆砌工具。这种理论与实践紧密结合的叙述风格，极大地降低了学习曲线，让复杂的控制设计过程变得触手可及。

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这本书的结构安排非常巧妙，它似乎是为那些已经掌握了基础微积分和线性代数，但对如何系统地进行现代控制系统设计感到迷茫的读者量身定制的。我尤其欣赏其中关于鲁棒控制和最优控制策略的对比分析部分。作者没有仅仅停留在理论公式的罗列上，而是通过对比不同控制器在面对系统不确定性（如传感器噪声、模型误差）时的性能表现，直观地展示了每种方法的优缺点。例如，书中对LQR控制器的设计流程进行了详尽的分解，从性能指标的定义到权重矩阵的选择，每一步都有明确的指导方针，这种严谨的工程化思维贯穿始终。更令人称道的是，作者将这些高阶理论无缝地集成到了MATLAB/Simulink环境中。读者可以立刻在软件中复现并修改案例，观察参数微小变动带来的系统响应巨大差异，这种即时反馈机制对于深化理解至关重要，远比单纯阅读文字描述来得有效得多。

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