MATLAB软件环境是美国新墨西哥大学的Cleve Moler博士首创的,其全称为MATrixLABoratory(矩阵实验室)。MATLAB是以20世纪七八十年代流行的LINPACK(线性代数计算)和ESPACK(特征值计算)软件包为基础发展起来的。MATLAB软件随着Windows环境的发展而迅速发展,其充分利用了Windows环境的交互性、多任务功能和图形功能,开发了矩阵的智能和数学可视化表示方式,创建了一种建立在C语言基础上的MATLAB专用语言,使得矩阵运算、数值运算、数据与图形显示等变得极为简单易行。MATLAB语言是一种更为抽象的高级数学应用语言,它一方面与C语言类似,另一方面又更为接近人的抽象思维,通用性强,便于学习和编程。同时,MATLAB软件环境还具有很好的开放性,用户可以根据自己的需求,利用MATLAB提供的基本工具,灵活地编制和开发自己的程序,开创新的应用;可以自行编制程序,添加新的计算工具箱。
MATLAB从诞生起,就得到国外许多高校师生、科技人员的关注。Moler博士等一批数学家和软件专家成立了Mathworks软件开发公司,对MATLAB进行了大规模的扩展与改进。大批美国和其他国家的学者都对MATLAB 进行了自主开发,以工具箱的形式加入MATLAB总体环境。目前在控制应用领域也已经有多种专用工具箱,如有限元分析、控制系统、系统辨识、信号处理、鲁棒控制、分析与综合、模糊控制、神经网络、小波分析、定量反馈理论、多变量频域设计、实时化等。同时,增加了强大的符号运算功能、图形处理功能等,使MATLAB的应用更为广泛、深入。近几十年来,MATLAB已逐步成为国内外大学的通用计算工具,成为工业领域、航空航天领域工程师必不可少的研究与计算工具。MATLAB软件包目前已在国内大多数高等院校、研究院所得到广泛、深入的应用。
MATLAB的发展极为迅速,每年更新两次版本,本书内容基于MATLAB
R2017a版本。每一个新版本都对原有版本进行了不同程度的改进:MATLAB 6.0版本增加了航空航天计算模块,改善了实时化计算模块;MATLAB 7.0以上版本提供了MATLAB与其下层实时仿真计算机DSPACE的无缝链接,具备了由MATLAB语言直接转为C代码进行实时仿真的功能,使MATLAB在工程设计和实现方面具有了实用性和竞争优势,受到广大工程设计人员和单位的重视。
本书第二版所用的版本是MATLAB R2006a,到现在已历经了10年的更新。与2015年前的版本相比,MATLAB
R2017a版本的很多指令都有了较大程度的更改和简化,如矩阵的加法、减法、除法,都变为直接使用 、-、*、/和\符号,需要重新介绍。同时,新的版本几乎涵盖了旧版本的全部内容,在新版本下可以打开使用旧版本编辑的软件。
今天,MATLAB已经走出了校园,深入到工业生产、科学研究等各个领域,成为世界范围内公认的可靠性高的高级计算机编程语言,成为众多新型项目开发和产品研制的首选软件虚拟环境,也成为很多专业领域科技人员必须掌握的一门计算机技术。
本书介绍了MATLAB 控制与仿真工具箱的基础知识和基本应用,为学生掌握、运用MATLAB语言打下基础。大学本科、专科学生在校学习期间,可以通过学习本书内容、辅助其更好地完成高等数学、微积分、线性代数、微分方程、数值运算、时域仿真和频谱分析等课程的课内外习题。控制工程与自动化类专业的本科生、研究生以及工程研究与技术人员还可利用其进行系统分析、设计、仿真等方面更深入的学习和研究。在掌握本书内容的基础上,用户还可利用它进行二次开发,自主编程,从而进行更为广泛、深入的研究和工程设计工作。
本书重点讲述了MATLAB 的矩阵运算、符号运算、图形功能、控制系统分析与设计、Simulink仿真和实时化等方面的内容。每章都详细介绍了MATLAB的基本语句与运算功能,给出了简单的应用例题以说明该语句的应用,以及MATLAB指令表和应用说明。部分章节给出了较为复杂的应用例题,说明利用基本语句的再次开发过程。本书中还给出了很多控制理论与仿真方面的综合应用例题,丰富了MATLAB软件的应用。另外,还开发了MATLAB与ADAMS软件在虚拟样机方面的联合应用,进一步扩展了MATLAB的应用领域。本书在讲解中力求概念清楚,通俗易懂。
本书只涉及MATLAB在Windows环境下的应用,用户可自行扩展至Unix、Macintosh等多种计算机操作系统。
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本书由北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院自动控制系教师编写完成。其中第1章由张平编写,欧阳光协助;第2章由吴云洁编写,李国飞协助;第3章由夏洁编写,周锐协助;第4章由袁少强编写,毛亦舟协助;第5章由张平、董小萌编写,熊笑协助。作者希望本书可以成为读者在学习、研究和工程技术开发过程中友好而实用的辅助工具,也衷心希望读者朋友们可以将您的使用意见和改进建议反馈给我们,作者邮箱zhp@buaa.edu.cn、xiaj@buaa.edu.cn。
作 者
2018年5月30日于北京
第1章 MATLAB入门与基本运算………1
1.1 MATLAB环境与文件管理…… 1
1.2 基本数据定义与变量管理……… 3
1.2.1 建立与查询数据………………… 3
1.2.2 在线查询与功能演示…………… 6
1.3 变量、数组与函数………………… 7
1.3.1 变 量………………………… 7
1.3.2 注释和标点…………………… 8
1.3.3 复数表示……………………… 8
1.3.4 数学函数……………………… 9
1.4 数据的输入与输出……………… 10
1.4.1 利用M 文件生成数据…………
10
1.4.2 save与load指令………………
10
1.4.3 低级文件的输入与输出………… 11
1.5 数组与矩阵运算………………… 13
1.5.1 矩阵的表示与块操作…………… 13
1.5.2 矩阵的运算…………………… 17
1.5.3 矩阵函数……………………… 21
1.6 M 函数与M 文件………………
22
1.6.1 M 函数与M 函数文件…………
22
1.6.2 M 文件………………………… 24
1.7 多项式运算……………………… 26
1.7.1 求根及其逆运算……………… 26
1.7.2 加法、减法与乘法……………… 26
1.7.3 微分与赋值运算……………… 27
1.7.4 有理多项式…………………… 28
1.8 控制语句与逻辑运算…………… 30
1.8.1 for循环……………………… 30
1.8.2 while循环…………………… 32
1.8.3 条件语句……………………… 32
1.8.4 关系运算和逻辑运算…………… 33
1.8.5 字符运算……………………… 36
1.9 曲线拟合与插值运算…………… 39
1.9.1 曲线拟合……………………… 39
1.9.2 插值运算……………………… 40
1.10 符号运算……………………… 45
1.10.1 符号表达式…………………… 45
1.10.2 符号表达式的运算…………… 49
1.10.3 微分和积分…………………… 54
1.10.4 符号表达式画图……………… 56
1.10.5 符号表达式的简化…………… 57
1.10.6 可变精度算术运算…………… 58
1.10.7 符号方程求解………………… 60
1.10.8 线性代数和符号矩阵………… 63
1.11 本章小结……………………… 67
习 题………………………………… 67
第2章
图形与可视化……………… 69
2.1 二维绘图的plot指令…………
69
2.2 图形修饰与控制………………… 71
2.2.1 坐标轴的调整………………… 71
2.2.2 文字标示……………………… 72
2.2.3 网格控制……………………… 73
2.2.4 图例注解……………………… 73
2.2.5 图形的保持…………………… 74
2.2.6 图形窗口的分割……………… 74
2.2.7 图形的填充…………………… 75
2.2.8 交互式绘图操作……………… 76
2.3 特殊坐标二维图形……………… 77
2.3.1 对数坐标图形………………… 77
2.3.2 极坐标图形…………………… 78
2.4 特殊二维图形…………………… 78
2.4.1 函数图形……………………… 78
2.4.2 饼 图………………………… 79
2.4.3 条形图………………………… 80
2.4.4 梯形图………………………… 80
2.4.5 概率分布图…………………… 81
2.4.6 向量图………………………… 81
2.4.7 函数绘图……………………… 82
2.5 三维图形………………………… 83
2.5.1 基本三维图形………………… 84
2.5.2 改变视角……………………… 85
2.5.3 特殊三维图形………………… 86
2.6 三维数据的二维图……………… 95
2.7 其他图形函数…………………… 97
2.8 图形窗编辑功能………………… 99
2.8.1 图形窗菜单…………………… 99
2.8.2 快捷工具栏………………… 101
2.8.3 二维图形的交互编辑示例…… 101
2.9 图形用户界面设计…………… 102
2.9.1 图形窗口的生成……………… 102
2.9.2 菜单的实现………………… 104
2.9.3 对话框的实现………………… 107
2.9.4 控件设计技术………………… 108
2.10 图形用户界面(GUI)的应用………111
2.10.1 控件管理工具 ……………… 114
2.10.2 控件编程设计……………… 116
2.11 动态图形与动画……………… 122
2.12 本章小结……………………… 123
习 题………………………………… 125
第3章
线性系统分析与设计…… 127
3.1 概 述………………………… 127
3.2 线性系统的描述……………… 127
3.2.1 连续系统的数学描述………… 128
3.2.2 离散系统的数学描述………… 133
3.3 模型之间的转换……………… 134
3.3.1 线性系统模型之间的转换…… 134
3.3.2 连续系统与离散系统之间的转换…138
3.4 时间响应分析………………… 142
3.4.1 脉冲响应…………………… 143
3.4.2 对任意输入的响应…………… 145
3.4.3 阶跃响应…………………… 147
3.5 频率响应分析………………… 148
3.5.1 连续系统频率特性…………… 149
3.5.2 离散系统频率特性…………… 154
3.5.3 时间延迟系统的频率特性…… 156
3.6 根轨迹分析…………………… 157
3.6.1 常规根轨迹………………… 158
3.6.2 广义根轨迹………………… 158
3.6.3 零度根轨迹………………… 160
3.7 状态反馈设计………………… 161
3.7.1 连续系统的状态反馈设计…… 162
3.7.2 离散系统的状态反馈设计…… 164
3.8 最优二次型设计……………… 164
3.8.1 连续系统的最优二次型设计… 165
3.8.2 离散系统的最优二次型设计… 166
3.8.3 对输出加权的最优二次型设计……166
3.8.4 线性二次型Gauss最优设计…
166
3.9 系统辨识与降阶……………… 167
3.9.1 系统辨识…………………… 167
3.9.2 控制系统的模型降阶………… 169
3.10 仿真例题………………………171
3.10.1 线性系统离散化及其频率特性和响应……171
3.10.2 太阳光源跟踪系统的根轨迹设计……176
3.11 本章小结……………………… 182
习 题………………………………… 183
第4章 Simulink仿真环境……… 185
4.1 Simulink概述………………… 185
4.2 Simulink仿真环境及其模型库
………………………………… 185
4.3 方框图模型的建立和仿真…… 194
4.4 Simulink仿真环境使用说明
………………………………… 198
4.4.1 菜单功能…………………… 198
4.4.2 方框图模型的装饰…………… 201
4.4.3 模块属性的改变……………… 202
4.4.4 演示示波器………………… 203
4.5 仿真方法及计算步长的选择… 205
4.5.1 仿真方法的选择……………… 205
4.5.2 计算步长的选择……………… 206
4.5.3
Simulink中对仿真方法及步长的设置……207
4.6 模块组与模块封装…………… 210
4.6.1 模块组的形成………………… 210
4.6.2 模块封装…………………… 212
4.7 Simulink仿真实例…………… 215
4.7.1 Simulink的Demo演示实例…… 215
4.7.2 多速率计算机控制系统仿真… 217
4.7.3 仿真结构图的参数化………… 221
4.7.4 与M 函数的组合仿真…………
222
习 题………………………………… 226
第5章 MATLAB综合应用实例………228
5.1 大量数据的处理……………… 228
5.2 证明欧拉矩阵为Hermit矩阵……229
5.3 基于符号语言的线性系统离散化……230
5.4 系统二次型最优设计与仿真… 232
5.5 与ADAMS联合的虚拟样机设计应用………236
5.5.1 系统的初步设计……………… 236
5.5.2 机械系统的建模与分析……… 237
5.5.3 控制系统设计与仿真………… 240
5.5.4 ADAMS模型导入Simulink环境……242
5.5.5
Simulink与ADAMS联合仿真及结果……247
5.6 本章小结……………………… 249
后 记………………………………… 250
参考文献……………………………… 251
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