1.1 MATLAB環境與文件管理…… 1

1.2 基本數據定義與變量管理……… 3

1.2.1 建立與查詢數據………………… 3

1.2.2 在線查詢與功能演示…………… 6

1.3 變量、數組與函數………………… 7

1.3.1 變 量………………………… 7

1.3.2 注釋和標點…………………… 8

1.3.3 復數表示……………………… 8

1.3.4 數學函數……………………… 9

1.4 數據的輸入與輸出……………… 10

1.4.1 利用M 文件生成數據…………
10

1.4.2 save與load指令………………
10

1.4.3 低級文件的輸入與輸出………… 11

1.5 數組與矩陣運算………………… 13

1.5.1 矩陣的表示與塊操作…………… 13

1.5.2 矩陣的運算…………………… 17

1.5.3 矩陣函數……………………… 21

1.6 M 函數與M 文件………………
22

1.6.1 M 函數與M 函數文件…………
22

1.6.2 M 文件………………………… 24

1.7 多項式運算……………………… 26

1.7.1 求根及其逆運算……………… 26

1.7.2 加法、減法與乘法……………… 26

1.7.3 微分與賦值運算……………… 27

1.7.4 有理多項式…………………… 28

1.8 控制語句與邏輯運算…………… 30

1.8.1 for循環……………………… 30

1.8.2 while循環…………………… 32

1.8.3 條件語句……………………… 32

1.8.4 關繫運算和邏輯運算…………… 33

1.8.5 字符運算……………………… 36

1.9 曲線擬合與插值運算…………… 39

1.9.1 曲線擬合……………………… 39

1.9.2 插值運算……………………… 40

1.10 符號運算……………………… 45

1.10.1 符號表達式…………………… 45

1.10.2 符號表達式的運算…………… 49

1.10.3 微分和積分…………………… 54

1.10.4 符號表達式畫圖……………… 56

1.10.5 符號表達式的簡化…………… 57

1.10.6 可變精度算術運算…………… 58

1.10.7 符號方程求解………………… 60

1.10.8 線性代數和符號矩陣………… 63

1.11 本章小結……………………… 67

習 題………………………………… 67

第2章
圖形與可視化……………… 69

2.1 二維繪圖的plot指令…………
69

2.2 圖形修飾與控制………………… 71

2.2.1 坐標軸的調整………………… 71

2.2.2 文字標示……………………… 72

2.2.3 網格控制……………………… 73

2.2.4 圖例注解……………………… 73

2.2.5 圖形的保持…………………… 74

2.2.6 圖形窗口的分割……………… 74

2.2.7 圖形的填充…………………… 75

2.2.8 交互式繪圖操作……………… 76

2.3 特殊坐標二維圖形……………… 77

2.3.1 對數坐標圖形………………… 77

2.3.2 極坐標圖形…………………… 78

2.4 特殊二維圖形…………………… 78

2.4.1 函數圖形……………………… 78

2.4.2 餅 圖………………………… 79

2.4.3 條形圖………………………… 80

2.4.4 梯形圖………………………… 80

2.4.5 概率分布圖…………………… 81

2.4.6 向量圖………………………… 81

2.4.7 函數繪圖……………………… 82

2.5 三維圖形………………………… 83

2.5.1 基本三維圖形………………… 84

2.5.2 改變視角……………………… 85

2.5.3 特殊三維圖形………………… 86

2.6 三維數據的二維圖……………… 95

2.7 其他圖形函數…………………… 97

2.8 圖形窗編輯功能………………… 99

2.8.1 圖形窗菜單…………………… 99

2.8.2 快捷工具欄………………… 101

2.8.3 二維圖形的交互編輯示例…… 101

2.9 圖形用戶界面設計…………… 102

2.9.1 圖形窗口的生成……………… 102

2.9.2 菜單的實現………………… 104

2.9.3 對話框的實現………………… 107

2.9.4 控件設計技術………………… 108

2.10 圖形用戶界面(GUI)的應用………111

2.10.1 控件管理工具 ……………… 114

2.10.2 控件編程設計……………… 116

2.11 動態圖形與動畫……………… 122

2.12 本章小結……………………… 123

習 題………………………………… 125

第3章
線性繫統分析與設計…… 127

3.1 概 述………………………… 127

3.2 線性繫統的描述……………… 127

3.2.1 連續繫統的數學描述………… 128

3.2.2 離散繫統的數學描述………… 133

3.3 模型之間的轉換……………… 134

3.3.1 線性繫統模型之間的轉換…… 134

3.3.2 連續繫統與離散繫統之間的轉換…138

3.4 時間響應分析………………… 142

3.4.1 脈衝響應…………………… 143

3.4.2 對任意輸入的響應…………… 145

3.4.3 階躍響應…………………… 147

3.5 頻率響應分析………………… 148

3.5.1 連續繫統頻率特性…………… 149

3.5.2 離散繫統頻率特性…………… 154

3.5.3 時間延遲繫統的頻率特性…… 156

3.6 根軌跡分析…………………… 157

3.6.1 常規根軌跡………………… 158

3.6.2 廣義根軌跡………………… 158

3.6.3 零度根軌跡………………… 160

3.7 狀態反饋設計………………… 161

3.7.1 連續繫統的狀態反饋設計…… 162

3.7.2 離散繫統的狀態反饋設計…… 164

3.8 二次型設計……………… 164

3.8.1 連續繫統的二次型設計… 165

3.8.2 離散繫統的二次型設計… 166

3.8.3 對輸出加權的二次型設計……166

3.8.4 線性二次型Gauss設計…
166

3.9 繫統辨識與降階……………… 167

3.9.1 繫統辨識…………………… 167

3.9.2 控制繫統的模型降階………… 169

3.10 仿真例題………………………171

3.10.1 線性繫統離散化及其頻率特性和響應……171

3.10.2 太陽光源跟蹤繫統的根軌跡設計……176

3.11 本章小結……………………… 182

習 題………………………………… 183

第4章 Simulink仿真環境……… 185

4.1 Simulink概述………………… 185

4.2 Simulink仿真環境及其模型庫

………………………………… 185

4.3 方框圖模型的建立和仿真…… 194

4.4 Simulink仿真環境使用說明

………………………………… 198

4.4.1 菜單功能…………………… 198

4.4.2 方框圖模型的裝飾…………… 201

4.4.3 模塊屬性的改變……………… 202

4.4.4 演示示波器………………… 203

4.5 仿真方法及計算步長的選擇… 205

4.5.1 仿真方法的選擇……………… 205

4.5.2 計算步長的選擇……………… 206

4.5.3
Simulink中對仿真方法及步長的設置……207

4.6 模塊組與模塊封裝…………… 210

4.6.1 模塊組的形成………………… 210

4.6.2 模塊封裝…………………… 212

4.7 Simulink仿真實例…………… 215

4.7.1 Simulink的Demo演示實例…… 215

4.7.2 多速率計算機控制繫統仿真… 217

4.7.3 仿真結構圖的參數化………… 221

4.7.4 與M 函數的組合仿真…………
222

習 題………………………………… 226

第5章 MATLAB綜合應用實例………228

5.1 大量數據的處理……………… 228

5.2 證明歐拉矩陣為Hermit矩陣……229

5.3 基於符號語言的線性繫統離散化……230

5.4 繫統二次型設計與仿真… 232

5.5 與ADAMS聯合的虛擬樣機設計應用………236

5.5.1 繫統的初步設計……………… 236

5.5.2 機械繫統的建模與分析……… 237

5.5.3 控制繫統設計與仿真………… 240

5.5.4 ADAMS模型導入Simulink環境……242

5.5.5
Simulink與ADAMS聯合仿真及結果……247

5.6 本章小結……………………… 249

後 記………………………………… 250

MATLAB從誕生起,就得到國外許多高校師生、科技人員的關注。Moler博士等一批數學家和軟件專家成立了Mathworks軟件開發公司,對MATLAB進行了大規模的擴展與改進。大批美國和其他國家的學者都對MATLAB 進行了自主開發,以工具箱的形式加入MATLAB總體環境。目前在控制應用領域也已經有多種專用工具箱,分析、控制繫統、繫統辨識、信號處理、魯棒控制、μ分析與綜合、模糊控制、神經網絡、小波分析、定量反饋理論、多變量頻域設計、實時化等。同時,增加了強大的符號運算功能、圖形處理功能等,使MATLAB的應用更為廣泛、深入。近幾十年來,MATLAB已逐步成為國內外大學的通用計算工具,成為工業領域、航空航天領域工程師必不可少的研究與計算工具。MATLAB軟件包目前已在國內大多數高等院校、研究院所得到廣泛、深入的應用。

MATLAB的發展極為迅速,每年更新兩次版本,本書內容基於MATLAB
R2017a版本。每一個新版本都對原有版本進行了不同程度的改進:MATLAB 6.0版本增加了航空航天計算模塊,改善了實時化計算模塊;MATLAB 7.0以上版本提供了MATLAB與其下層實時仿真計算機DSPACE的無縫鏈接,具備了由MATLAB語言直接轉為C代碼進行實時仿真的功能,使MATLAB在工程設計和實現方面具有了實用性和競爭優勢,受到廣大工程設計人員和單位的重視。

本書第二版所用的版本是MATLAB R2006a,到現在已歷經了10年的更新。與2015年前的版本相比,MATLAB
R2017a版本的很多指令都有了較大程度的更改和簡化,如矩陣的加法、減法、除法,都變為直接使用 、-、*、/和\\符號,需要重新介紹。同時,新的版本幾乎涵蓋了舊版本的全部內容,在新版本下可以打開使用舊版本編輯的軟件。

今天,MATLAB已經走出了校園,深入到工業生產、科學研究等各個領域,成為世界範圍內公認的可靠性高的高級計算機編程語言,成為眾多新型項目開發和產品研制的軟件虛擬環境,也成為很多專業領域科技人員必須掌握的一門計算機技術。

本書介紹了MATLAB 控制與仿真工具箱的基礎知識和基本應用,為學生掌握、運用MATLAB語言打下基礎。大學本科、專科學生在校學習期間,可以通過學習本書內容、輔助其更好地完成高等數學、微積分、線性代數、微分方程、數值運算、時域仿真和頻譜分析等課程的課內外習題。控制工程與自動化類專業的本科生、研究生以及工程研究與技術人員還可利用其進行繫統分析、設計、仿真等方面更深入的學習和研究。在掌握本書內容的基礎上,用戶還可利用它進行二次開發,自主編程,從而進行更為廣泛、深入的研究和工程設計工作。

本書重點講述了MATLAB 的矩陣運算、符號運算、圖形功能、控制繫統分析與設計、Simulink仿真和實時化等方面的內容。每章都詳細介紹了MATLAB的基本語句與運算功能,給出了簡單的應用例題以說明該語句的應用,以及MATLAB指令表和應用說明。部分章節給出了較為復雜的應用例題,說明利用基本語句的再次開發過程。本書中還給出了很多控制理論與仿真方面的綜合應用例題,豐富了MATLAB軟件的應用。另外,還開發了MATLAB與ADAMS軟件在虛擬樣機方面的聯合應用,進一步擴展了MATLAB的應用領域。本書在講解中力求概念清楚,通俗易懂。

本書隻涉及MATLAB在Windows環境下的應用,用戶可自行擴展至Unix、Macintosh等多種計算機操作繫統。

本書程序源代碼、習題答案、課件等資料均可通過掃描本頁的二維碼→關注“北航理工圖書”公眾號→回復“2747”獲得。如有疑問請發送郵件至goodtextbook@126.com 或撥打010 82317036聯繫圖書編輯。

本書在MATLAB中文論壇設有專門的交流版塊,供同行們暢所欲言,相關鏈接如下:

交流版塊:https://www.ilovematlab.cn/forum-271-1.html

程序源代碼下載地址:https://www.ilovematlab.cn/thread-554432-1-1.html

勘誤地址:https://www.ilovematlab.cn/thread-554433-1-1.html

本書由北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院自動控制繫教師編寫完成。其中第1章由張平編寫,歐陽光協助;第2章由吳雲潔編寫,李國飛協助;第3章由夏潔編寫,周銳協助;第4章由袁少強編寫,毛亦舟協助;第5章由張平、董小萌編寫,熊笑協助。作者希望本書可以成為讀者在學習、研究和工程技術開發過程中友好而實用的輔助工具,也衷心希望讀者朋友們可以將您的使用意見和改進建議反饋給我們,作者郵箱zhp@buaa.edu.cn、。

作 者

2018年5月30日於北京