【现货速发】控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用(第4版)

 第4版
　　本书第3 版出版已经10 年了。在这段时间内，MATLAB/Simulink
本身以及控制系统计算机辅助技术都有了较大的发展。随着MATLAB
软件的更新，早期版本的很多内容逐渐淡出历史舞台，而很多
新的技术与编程方法也逐渐出现，给基于MATLAB/Simulink 的控制
系统计算机辅助分析与设计技术提供了新的活力。所以，有必要适应
新的要求，出版本书的第4 版。
　　经过若干版本的进化，本书的主体结构已经成熟。所以，本版在章
节框架结构上改动不大，主要修改的是具体内容。本版主要在以下方
面做了大幅度更新：在MATLAB 编程基础方面，增加了MATLAB 实
时编辑程序的介绍，介绍了新版的MATLAB 绘图函数；在界面设计方
法中，将原来的Guide 程序设计方法替换成了基于新的App Designer
的界面设计方法，使得MATLAB 界面与应用程序设计更简洁、更高
效；在科学运算方面，引入了数值Laplace 变换的方法，使得无理系统
的仿真成为可能；在线性系统模型方面，给出了新版的基于符号运算
的线性系统模型化简方法，为系统模型描述的完整性起见，引入了描
述符状态方程模型和带有内部延迟的状态方程模型，使得带有延迟模
块的LTI 模型连接变得更简洁、更通用，引入了基于内部延迟模型的复
合系统输入方法；系统模型化简部分，增加了连接矩阵的简单输入方
法，在线性系统分析方面，增加了延迟系统的近似根轨迹分析方法；更
新了Gershgorin 带的绘制程序与多变量系统频域响应分析程序，使得
多变量系统的频域响应分析变得更容易；在非线性系统建模与仿真方
面，引入了一般非线性系统的稳定性的分析方法，概略性地引入了基
于Simulink 的多领域物理建模方法与应用；在控制器设计方面，指出
传统控制可能存在的误区和潜在错误，给出了基于数值化技
术的控制器设计方法，改进了OCD 和OptimPID 两个应用程序，
更好地解决控制器设计问题；通过实验指出，对不自带积分器的
受控对象而言，PID 控制器是好的二阶控制器；从控制方法上，引入
了自抗扰控制策略与仿真方法，给出了模型参考自适应系统的控制器
框架；引入了广义预测控制、迭代学习控制等控制策略的入门知识；在
智能优化方面，基于MATLAB 全局优化工具箱重新介绍了基于MATLAB 的智能
优化算法。此外，本书还全面更新了分数阶微积分数值运算与分数阶控制系统分析
与设计的内容。通过新版FOTF 工具箱的引入，统一了分数阶线性系统与常规整数
阶系统的建模与研究框架，使得分数阶系统研究变得更容易。
除了上面列出的具体更新内容外，利用MATLAB 与Simulink 的新版本全面更
新了其他相关的内容，使得书中的代码可以更好地在新版本下高效运行。
为使得新版不过多增加篇幅，也相应地剔除了一些陈旧的内容。例如，第3 版
的QFT 内容已经删除，此外，全面删除了介绍MATLAB 自带的控制器设计界面
等方面的内容，因为利用该界面设计的控制器效果远远差于我们编写的OCD 与
OptimPID 等应用程序。
本书第3 版出版之后，修改后的英文版由World Scientific 出版社与清华大学
出版社合作出版，对应的课程“控制系统仿真与CAD”也入选首批精品资源
共享课程。在此基础上，我们重新录制了全部的教学视频，教学材料也得到进一步
充实、完善，MOOC 课程在中国大学MOOC 网已开出几期。随着计算机辅助教学
技术的普及以及现代化教学手段的提升，我们将中英文字幕版的视频片段的二维
码直接在相应的地方标出，以便读者学习。在访问视频片段之前，应先按封底的“文
泉云盘刮刮卡”二维码登录系统，否则不能正常访问视频。作者为本书制作的课件，
编写的MATLAB 代码、模型与工具箱也可以直接在文泉云盘下载，具体见附录B。
书稿完成之际要感谢的人很多。本书由大连理工大学张晓华教授主审，感谢张
老师的很多有益建议。感谢教学团队成员的共同努力，特别感谢潘峰博士在教学材
料和整个教材与课程建设中的突出贡献。感谢学生们在课程建设中所做的扎实的
工作、诸多热心读者的建议、出版界朋友的辛勤工作。
特别感谢妻子杨军教授数十年来一如既往的支持与鼓励，感谢女儿薛杨在文
稿写作、排版与视频转换中给出的建议和帮助。
薛定宇　
2022 年3 月　
PREFACE 第3版前言
　　本书第1 版曾是国内早系统介绍MATLAB 语言并和控制理论
有机结合的教材，在海内外中文读者中曾有很大影响且被控制界学生
与学者广泛参考与引用。本书的风格、内容与课程设置得到国内外同
行专家的肯定。2008 年本书第2 版获批精品教材，同年，以本书
为主要教材的“控制系统仿真与CAD”课程获批精品课程。另
外，2007 年在美国SIAM 出版社出版了英文简写版，美国学者在IEEE
控制系统杂志上刊出了对该书评价较高的书评，相关教学成果被国内
专家组成的鉴定委员会认定为达到国际先进水平。
　　本书第2 版出版6 年多来，无论在MATLAB 与Simulink 的功能与
控制科学与方法上都有了很大的发展，所以需要对原有的内容进行必
要的更新，以适应日益增长的需求。
　　第2 章增加了图形用户界面设计方面的内容。如果读者掌握了图
形用户界面程序设计技术，将能够更好地理解本书新编的几个程序界
面，并能为自己擅长的或独特的研究成果开发出通用程序，提高程序
的可重用性，并为其他研究者提供宝贵的借鉴经验。本版将与控制相
关的科学运算问题求解独立成新的第3 章，充实了和控制问题密切相
关的数学问题求解内容，增加了代数方程求解一节，尤其是提出并编
写了非线性矩阵方程全部根的求解函数，此外，将原附录A 的Laplace
变换、z 变换内容移入本章，使得科学运算的知识结构更加完整。
　　第4～6 章侧重于控制系统的建模与分析方法，增加了复杂框图模
型的代数化简方法、内部延迟的状态方程模型、模型辨识阶次选定、直
接积分的解析解求解、基于Laplace 变换、z 变换的时域响应解析解方
法、非零初值的仿真方法等，并给出了基于Simulink 的各种控制系统
仿真方法，为下一步的控制系统设计奠定了必要的基础。
　　控制系统计算机辅助设计是本版改动幅度的部分，本版对原
有的控制系统设计专题进行了整合，并把PID 控制器设计与分数阶控
制器设计两部分单独成章，扩充了很多新的内容，如在PID 控制器整
定一章中系统介绍了PID 类控制器的整定方法，并开发了PID 控
制器设计程序界面，在分数阶控制器设计一章建立了全新的分数阶
系统建模、分析与设计的框架。在其他相关章节中也融入了全新的内
容，如多变量系统的解耦控制、定量反馈理论（QFT）设计方法、线性矩阵不等式方
法（LMI）、基于粒子群优化的（PSO）全局控制器等。
本书增加的部分内容可能在理论上较深，用这样短的篇幅全面介绍相关内容
是不可能的，所以读者若遇到不熟悉的深奥理论，如果想再深入研究的话可以参阅
其他参考文献。对一般读者来说，不一定非得把所涉及的理论研究得特别透彻，只
需了解这些理论是解决什么问题的，然后侧重于学习本书介绍的相应函数的调用
方法，直接获得原问题的解。
本书尽量介绍目前的MATLAB 8.0 版（即R2012b），但相应的内容对
MATLAB 及相关工具箱的版本依赖程度不高，所以这里介绍的算法函数绝大多
数均可以在MATLAB 7.x 甚至更早期版本下正常运行。
本书相关教学成果鉴定中得到系统仿真界权威李伯虎院士、王子才院士与自
动化教育界著名学者清华大学的王雄教授、北京航空航天大学的申功璋教授、上海
交通大学的田作华教授等的关怀和具体指导，在本书新内容酝酿与写作过程中，感
谢美国加州大学的陈阳泉教授、英国Sussex 大学的Derek Atherton 教授、斯洛伐克
Kosice 技术大学的Igor Podlubny 教授、哈尔滨工业大学的张晓华教授和马广富教
授、清华大学的孙增圻教授、北京航空航天大学的刘金琨教授、华中科技大学的王
永骥教授、上海大学的李常品教授、山东大学的李岩博士、西班牙Extremadura 大
学的Blas Vinagre 教授和Concepción Monje 博士等，作者在与他们的交流与合作
中受益匪浅，有些内容已经为本版增色不少。清华大学出版社的王一玲编辑为本书
的出版事宜及安排给了作者很大帮助。在教材与课程建设方面与东北大学的潘峰
博士、陈大力博士、崔建江博士、佟国峰博士等的深入讨论催生了本版许多新的内
容，博士生孟丽、关驰、白鹭，硕士生董雯彬、马红林、郭晓静、李萧彤、黄敏、王伟
楠、刘禄、李艳慧、安哲、梁婷婷等为本书的代码验证、课件开发与教学视频制作等
做出了很多贡献，分数阶系统部分内容的写作还受到国家自然科学基金资助（基金
号：61174145），在此一并表示感谢。
在精品课程项目资助下，本书全部教学课件都已经改写，并录制了全程
教学录像，可供同行教师和同学参考。另外，在全国高校教师网络培训中心组织的
精品课程教师培训班上还录制了本课程面向教师讲座的录像，可供授课教师参考。
多年来，我的妻子杨军和女儿薛杨在生活和事业上给予了我莫大的帮助与鼓
励，没有她们的鼓励和一如既往的支持，本书和前几部著作均不能顺利面世，谨以
此书献给她们。
薛定宇
2012 年10 月18 日于沈阳东北大学
PREFACE 第2版前言
　　美国MathWorks 公司推出的MATLAB 语言一直是国际科学界
应用和影响广泛的三大计算机数学语言之一。从某种意义上讲，在
纯数学以外的领域中，MATLAB 语言有着其他两种计算机数学语言
Mathematica 和Maple 无法比拟的优势和适用面。在控制类学科中，
MATLAB 语言更是科学研究者的计算机语言。
　　近十年来，随着MATLAB 语言和Simulink 仿真环境在控制系统
研究与教学中日益广泛的应用，在系统仿真、自动控制等领域，国外很
多高校在教学与研究中都将MATLAB/Simulink 语言作为的计
算机工具。我国的科学工作者和教育工作者也逐渐认识到MATLAB
语言的重要性。MATLAB 语言是一种十分有效的工具，能轻松地解决
在系统仿真及控制系统计算机辅助设计领域的教学与研究中遇到的
问题，它可以将使用者从烦琐的底层编程中解放出来，把有限的宝贵
时间更多地花在解决科学问题中。MATLAB 语言虽然是计算数学专
家倡导并开发的，但其普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献。
在MATLAB 语言的发展进程中，许多有代表性的成就是和控制界的
要求与贡献分不开的。MATLAB 具有强大的数学运算能力、方便实用
的绘图功能及语言的高度集成性，它在其他科学与工程领域也有着广
阔的应用前景和无穷的潜能。因此，以MATLAB/Simulink 作为主线，
为我国高校自动化专业的一门很重要课程“控制系统仿真与计算
机辅助设计”或“计算机仿真”编写一本实用的教材就显得非常迫切。
　　十年前，作者的著作《控制系统计算机辅助设计MATLAB 语
言与应用》由清华大学出版社出版。该书受到很多专家学者的关注，并
被公认为国内关于MATLAB 语言方面书籍中出版早、影响广的
著作。该书被国内期刊文章和著作引用数千次，被数万篇硕士、博士论
文引用，为我国高校师生和研究人员认识和掌握MATLAB 语言，并用
其解决自己学习、教学科研中遇到的问题起到了积极的作用。
　　多年来，作者一直在试图以实用的方式将MATLAB 语言介绍
给国内的读者，并在清华大学出版社、机械工业出版社出版了6 部有
关MATLAB 语言及其应用方面的著作，受到了国内外广大中文读者
的普遍欢迎。作者的著作总共有三个大的方向：MATLAB 语言与数学运算问题求
解、MATLAB 语言在控制系统中的应用与MATLAB 语言及其在系统仿真中的应
用。本书继承了作者早期几部控制领域著作的优点，从使用者的角度出发，并结合
作者十数年的实际编程经验和丰富的教学经验，系统地介绍MATLAB 语言的编程
技术及其在控制系统仿真与计算机辅助设计中的应用。本书先介绍MATLAB 语言
的基础内容，并以其为主线，系统介绍控制系统的计算机辅助分析与计算机辅助设
计的方法。本书覆盖面较广，除了经典控制的内容外，还较深入地探讨了MATLAB
语言在状态反馈控制器、多变量系统频域设计、PID 控制器设计、控制器设计、
LQG/LTR 控制器设计、H∞控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、遗传
算法优化控制等方面的应用。本书还将介绍基于dSPACE 和Quanser 的实时控制
系统实验方法，尽量避免过于深奥理论的介绍，着重介绍用计算机求解理论问题的
方法，提供了大量的MATLAB 程序、Simulink 封装模块及仿真系统框图，可以用于
实现书中介绍的全部内容，所有的程序语句都是可重复的，可以供读者参考和直接
使用。书中融合了作者的许多编程思想和手材料，内容精心剪裁，相信仍然会
受到读者的欢迎。
作者从1988 年开始系统地使用MATLAB 语言进行程序设计与科学研究，积
累了丰富的手经验，也了解MATLAB 语言的动态。作者用MATLAB 语
言编写的程序曾作为英国Rapid Data 软件公司的商品在国际范围内发行，新近编
写的几个通用程序在MathWorks 公司的网站上可以下载，其中反馈系统分析与设
计程序CtrlLAB 长期高居控制类软件的榜首，已用于国际上很多高校的实际教学。
本书的大部分内容在东北大学自动化专业本科生课程“控制系统仿真与CAD”
与研究生课程“控制系统计算机辅助设计”中讲授过，受到普遍欢迎。本书配有全
套的、适用于计算机辅助教学的CAI 课件材料及其他相关材料。书中除简单介绍
MATLAB 的基础知识外，其余内容均围绕其在控制系统中的应用展开介绍。所以
本书还可以作为“自动控制原理”等课程的计算机实践材料。
本书主要介绍目前的MATLAB 7.1 版，即MATLAB Release 14 Service
Pack 3，但相应的内容对MATLAB 及相关工具箱的版本依赖程度不高，所以这里
介绍的算法函数绝大多数均可以在MATLAB 6.x 甚至更早期版本下正常运行。
在本书编写过程中，作者的一些师长、同事和朋友也先后给予作者许多建议和
支持，包括英国Sussex 大学的Derek P. Atherton 教授、东北大学的任兴权教授和
徐心和教授、美国Utah 州立大学的陈阳泉教授、东北大学信息学院的院长刘建昌
教授、北京交通大学的朱衡君教授、英国Sussex 大学的杨泰澄博士、中科院系统科
学研究院的韩京清研究员、南开大学的王治宝教授、中科院科学与工程计算国家重
点实验室的张林波研究员、中科院上海应用物理研究所的陈之初先生等，还有在互
联网上进行过交流的众多知名的和不知名的同行与朋友。本书部分内容及仿真模
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .? 前　言VII
型由博士生潘峰、陈大力、高道祥、李殿起共同编写，教学文件由哈尔滨工程大学张
望舒同学、东北大学研究生解志斌、鄂大志同学协助开发，在此表示深深的谢意。
本书由哈尔滨工业大学张晓华教授主审，承蒙张老师的仔细审读并得到许多
建设性建议。本书编写过程中一直得到本系列教材编委会副主任、清华大学萧德云
教授的关注与帮助，本书从初版开始就得到清华大学出版社蔡鸿程主编的帮助与
关怀，本书的出版还得到了美国MathWorks 公司图书计划的支持，在此表示谢意，
并特别感谢Noami Fernandez 女士、Courtney Esposito 女士为作者提供的帮助。
由于作者水平所限，书中的缺点和错误在所难免，欢迎读者批评指教。
谨以此书献给数十年来一直全心全意培养我、支持我的父母。
薛定宇
2005 年10 月1 日
于沈阳东北大学

PREFACE 第1版前言
　　控制系统计算机辅助设计（CACSD）从成为一门单独的学科以来
至今已经有二十多年的历史，在其发展过程中出现了各种各样的实用
工具和理论成果。CACSD 课程是高校自动控制类专业研究生的一门
重要课程，可选用的教材也很多，但由于其中大部分教材出现得较早，
已经不能反映当代CACSD 领域的成果。
　　MATLAB 语言的出现不但对CACSD 算法的研究，也对其他CACSD
软件环境的开发起到了巨大的推动作用，它已经成为国际控制界
应用广的语言和工具了。该软件早期版本20 年代80 年代末传入我
国以来，在高校中已经有了一些应用，但大部分用户苦于没有该软件
相应的资料，难于系统地掌握该语言，有效地解决自己遇到的问题。
　　作者从1988 年开始接触MATLAB，使用过早期和当前的各个版
本，曾以MATLAB 为基础开发过几个商品软件，并在研究中一直使用
MATLAB 作为主要工具，所以熟悉MATLAB 的特点及编程。
　　1995 年作者受辽宁省系统仿真学会邀请，在1995 中国自动化教
育学术年会后于秦皇岛举办“MATLAB 语言与控制系统计算机辅助
设计新技术”讨论班，并为该讨论班编写了试用讲义，这就是本书的雏
形。在该讲义的编写和整理过程中作者还在东北大学自动控制系研究
生的“控制系统计算机辅助设计”课程中试用过其中的大部分章节，并
在自控系本科生“系统仿真”课程中也试用过其中部分的内容，得到了
较好的反映。
　　本书大致分为两部分：部分系统地介绍了MATLAB 语言编
程与应用，侧重于介绍MATLAB 语言编程基础与技巧、数值分析算法
及MATLAB 实现、动态系统的数学模型及仿真工具Simulink 等，后
还以作者开发的一个控制系统计算机辅助教学软件Control Kit 为例，
介绍利用MATLAB 进行Windows 图形界面设计的方法，其中既包含
了MATLAB 软件的入门知识，也介绍了其应用的高级技术，融合了
作者多年来的实际编程经验和体会；第二部分以MATLAB 语言及其
相应工具箱为主要手段介绍并探讨了经典的和当前的控制系统
计算机辅助设计方法，包括多变量系统的频域设计、自整定PID 控制
方法、定量反馈理论、经典设计方法、状态空间LQ 及LQG/LTR 设计、H∞控
制等。
本书可作为自动控制类专业的研究人员参考, 也可作为高校该类专业的研究
生与高年级本科生控制系统计算机辅助设计课程的教材和参考书，还可供其他专
业的学生和科技工作者、教师作为自动控制原理、系统仿真等课程的实验辅助教
材，以及科学计算与图形绘制等方向的工具和参考书。
本书由东北大学研究生院的副院长徐心和教授主审，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。作者还感谢他的导师，原IEEE 控制系统委员会主席，英国Sussex 大学
的Derek Atherton 教授，是他将作者引入MATLAB 编程的乐园，并指导作者涉足
先进的CACSD 方法。几年来和他们的合作与学术交流使作者受益匪浅，他们严谨
的学风与敬业精神亦对作者有很深的影响。
作者在国外学习工作期间的一些同事和朋友也给予作者许多建议和鼓励，使
作者获得许多有益的信息与材料，在这当中包括英国威尔士Swansea 大学的庄敏
霞博士、上海同济大学的赵之凡副研究员、英国Sussex 大学的姚莉华博士等。本书
试印本完成以来还得到国内外同行的建议和意见，在此一并表示诚挚的谢意。
本书写作过程中承蒙东北大学控制仿真研究中心主任李彦平博士等同事的大
力支持和鼓励，在此作者表示衷心的感谢。
本书承蒙清华大学自动化系主任、中国自动化学会教育委员会主任胡东成教
授的大力推荐，在出版过程中又得到清华大学出版社蔡鸿程副社长的关怀和帮助，
在此作者深表谢意。
本书写作与出版部分得到国家留学回国人员基金和辽宁省博士启动基金
资助。
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。
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。
薛定宇
1996 年3 月于东北大学

本书系统地介绍了国际控制界应用广的MATLAB语言及其在控制教学与研究中的应用，侧重于介绍MATLAB语言编程基础与技巧、科学运算问题的MATLAB求解、线性系统的建模和计算机辅助分析、非线性系统的仿真分析、控制系统的计算机辅助设计方法等，包括