MATLAB是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)，具有極其豐富的功能，在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模仿真與輔助設(shè)計(jì)和大部分行業(yè)(如通信、自動(dòng)控制、大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、金融等)的工程實(shí)踐中都得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程語言相比，MATLAB在解決技術(shù)問題方面具有許多優(yōu)勢(shì)，主要包括如下幾方面。
(1) 使用方便。MATLAB是一種解釋型程序設(shè)計(jì)語言，既可以用腳本命令的形式實(shí)現(xiàn)程序算法中的各步操作，也可以用于執(zhí)行大型的程序。使用內(nèi)置的MATLAB集成開發(fā)環(huán)境，可以輕松地編寫、修改和調(diào)試程序。
(2) 平臺(tái)獨(dú)立性。MATLAB支持許多不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，例如，Windows、Linux和macOS。在任何平臺(tái)上編寫的程序和數(shù)據(jù)都可以在所有其他平臺(tái)上運(yùn)行和訪問。因此，用MATLAB編寫的程序可以在用戶需要發(fā)生變化時(shí)遷移到新的平臺(tái)。
(3) MATLAB編譯器。MATLAB的靈活性和平臺(tái)獨(dú)立性是通過將MATLAB程序編譯成獨(dú)立于設(shè)備的代碼，然后在運(yùn)行時(shí)解釋代碼指令來實(shí)現(xiàn)的。MATLAB提供了一個(gè)單獨(dú)的MATLAB編譯器，可以將MATLAB程序編譯成真正的可執(zhí)行文件，其運(yùn)行速度超過解釋的代碼。
(4) 豐富的預(yù)定義函數(shù)庫。MATLAB提供了大量的預(yù)定義函數(shù)庫，為許多基本技術(shù)任務(wù)提供了經(jīng)過測(cè)試和預(yù)打包的諸多解決方案。除了內(nèi)置的大型函數(shù)庫，還有許多特殊用途的工具箱可用于幫助用戶解決特定工程領(lǐng)域的復(fù)雜問題。例如，利用附加工具箱可以解決信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、通信、圖像處理、人工智能、深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面的工程問題。
(5) 設(shè)備獨(dú)立的繪圖功能。與大多數(shù)計(jì)算機(jī)語言不同，MATLAB有許多完整的繪圖命令，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化和圖形圖像的處理，圖像可以顯示在計(jì)算機(jī)所支持的任何圖形輸出設(shè)備上。這些功能使MATLAB成為一個(gè)用于計(jì)算數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)秀工具，在各種工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。
(6) 圖形化的用戶界面。MATLAB系統(tǒng)包括允許程序員為其程序交互式構(gòu)建圖形用戶界面的工具。有了這種功能，程序員可以設(shè)計(jì)出復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析程序，可以由相對(duì)沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶操作。
本書主要面向具有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)但還沒有編程基礎(chǔ)的工程技術(shù)人員、高等學(xué)校低年級(jí)學(xué)生。從基礎(chǔ)的程序設(shè)計(jì)開始，緊扣理工科專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，涵蓋了控制系統(tǒng)建模、仿真與控制器設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)和控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)案例，逐步引導(dǎo)讀者進(jìn)入專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。
全書主要內(nèi)容分為五篇，第一篇主要介紹MATLAB的基本應(yīng)用、矩陣和矩陣運(yùn)算、
圖形繪制與
數(shù)據(jù)可視化和MATLAB程序設(shè)計(jì)基本方法； 第二篇主要介紹使用MATLAB工具箱完成線性系統(tǒng)的建模、性質(zhì)分析、時(shí)域響應(yīng)分析、根軌跡和頻域分析方法； 第三篇主要介紹Simulink的基本用法、控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的仿真、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與穩(wěn)態(tài)誤差仿真、系統(tǒng)串聯(lián)校正器設(shè)計(jì)、PID控制器設(shè)計(jì)和非線性系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)； 第四篇以典型被控對(duì)象直流電機(jī)和旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)為例，綜合應(yīng)用MATLAB和Simulink及相關(guān)工具箱完成硬件在環(huán)系統(tǒng)建模、仿真與控制器設(shè)計(jì)； 第五篇給出了兩個(gè)項(xiàng)目制的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例垃圾分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)和平衡球傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目案例為牽引使學(xué)生進(jìn)一步深入理解控制系統(tǒng)建模、仿真與設(shè)計(jì)的方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力。
本書的主要特色如下。
(1) 內(nèi)容淺顯易懂。本書主要面向控制理論初學(xué)者，引導(dǎo)讀者打開控制系統(tǒng)建模、仿真與設(shè)計(jì)的大門，快速掌握控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的基本概念和方法。章節(jié)內(nèi)容循序漸進(jìn)、淺顯易懂，語言表述嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)。
(2) 講練同步融合。各章節(jié)在相關(guān)內(nèi)容講授之后，立即安排適量的例題和同步練習(xí)題。所有例題代碼都在MATLAB R2023a版本上調(diào)試通過，同步練習(xí)題可以幫助讀者自我檢查對(duì)當(dāng)前內(nèi)容的掌握情況，以便及時(shí)跟進(jìn)。
(3) 面向工程應(yīng)用。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是面向工程應(yīng)用，本書專門用了一整篇(第五篇)的篇幅，介紹控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在工程中的實(shí)際應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性和綜合能力。
在本書的撰寫過程中，特別感謝聶敏老師、杜欣悅同學(xué)的大力支持。由于時(shí)間倉促，書中難免存在疏漏和不足之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
李怡然2025年1月
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