自動控制原理：實驗與實踐篇（簡體書）

《自動控制原理:實驗與實踐篇》為普通高等教育“十二五”規劃教材。全書共分基礎篇、實驗篇和實踐篇三篇。基礎篇主要介紹了MATLAB軟件應用基礎和計算機仿真基礎知識；實驗篇為自動控制原理實驗課教材，與自動控制原理理論課的內容相對應；實踐篇專為自動控制原理專題實踐（課程設計）而編寫。《自動控制原理:實驗與實踐篇》緊扣自動控制理論核心方法，活用先進的實驗技術和強化實用的實踐技能。《自動控制原理:實驗與實踐篇》可作為高等學校自動化及相關專業“自動控制原理”課程的實驗與實踐教材，也可供自學自控原理的科技人員及工程技術人員學習和參考。

《自動控制原理:實驗與實踐篇》是普通高等教育“十二五”規劃教材之一。

前言
第1篇 基礎篇
第1章 MATLAB基礎
1.1.1 MATLAB概述
1.1.2 MATLAB界面
1.1.3 數值運算
1.1.4 符號運算
1.1.5 圖形處理
1.1.6 M文件編程
1.1.7 課內練習
1.1.8 課外實驗

第2章 Simulink基礎
1.2.1 Simulink基本操作
1.2.2 輸入信號模塊設置
1.2.3 仿真過程設置
1.2.4 輸出模塊設置
1.2.5 課內練習
1.2.6 課外實驗

第3章 計算機仿真基礎
1.3.1 計算機仿真概述
1.3.2 計算機仿真的基本原理
1.3.3 計算機仿真試驗
1.3.4 課內練習
1.3.5 課外實驗

第2篇 實驗篇
第1章 控制系統的數學模型
2.1.1 系統數學模型的建立
2.1.2 系統數學模型間的轉換
2.1.3 系統模型的連接
2.1.4 階躍響應實驗建模
2.1.5 課內練習
2.1.6 課外實驗

第2章 控制系統的時域分析
2.2.1 控制系統的時域分析概述
2.2.2 控制系統時域響應的仿真及分析
2.2.3 控制系統的穩定性分析
2.2.4 控制系統穩態誤差計算
2.2.5 課內練習
2.2.6 課外實驗

第3章 控制系統的時域設計
2.3.1 控制系統的設計理論概要
2.3.2 PID控制系統
2.3.3 串級控制系統
2.3.4 前饋控制系統
2.3.5 遲延補償控制系統
2.3.6 課內練習
2.3.7 課外實驗

第4章 控制系統的根軌跡分析與設計
2.4.1 根軌跡的繪制與分析
2.4.2 控制器的根軌跡法設計
2.4.3 控制器設計工具-rltool設計環境
2.4.4 課內練習
2.4.5 課外實驗

第5章 控制系統的頻域分析與設計
2.5.1 系統頻率響應計算
2.5.2 Nyquist圖的繪制及分析
2.5.3 Bode圖的繪制及分析
2.5.4 Nichols圖的繪制
2.5.5 控制器的頻域法設計
2.5.6 課內練刁
2.5.7 課外實驗

第6章 離散控制系統分析與設計
2.6.1 離散控制系統的建模
2.6.2 離散控制系統的分析
2.6.3 離散控制系統的Simulink模型與仿真
2.6.4 離散控制系統的設計
2.6.5 課內練習
2.6.6 課外實驗

第7章 狀態變量控制系統分析與設計
2.7.1 狀態空間模型的分析
2.7.2 能控性和能觀性的判別
2.7.3 狀態反饋控制器的設計
2.7.4 狀態觀測器的設計
2.7.5 線性二次型最優控制器設計
2.7.6 課內練習
2.7.7 課外實驗

第8章 非線性控制系統分析
2.8.1 非線性系統的Simulink的建模仿真
2.8.2 非線性系統的描述函數法應用
2.8.3 基于Simulink的相平面圖繪制
2.8.4 課內練習
2.8.5 課外實驗

第3篇 實踐篇
第1章 控制原理應用實踐導論
3.1.1 控制原理應用實踐的技術路線
3.1.2 控制技術應用概要
3.1.3 控制原理應用實踐報告寫作要點

第2章 飛行控制
3.2.1 飛機俯仰角度控制
3.2.2 飛機機動襟翼角的計算機控制
3.2.3 航天飛機的俯仰控制

第3章 車行控制
3.3.1 電傳動內燃機車的速度控制
3.3.2 主動式懸掛減震控制
3.3.3 磁懸浮列車的空氣隙控制

第4章 船行控制
3.4.1 水翼船渡輪的縱傾角控制
3.4.2 艏舶航向的自動操舵控制

第5章 工業過程控制
3.5.1 電纜卷線機線速控制
3.5.2 單容水箱水位控制
3.5.3 銑床切削深度控制
3.5.4 電網頻率的一次調節
3.5.5 核電站壓水堆一回路水溫控制
3.5.6 雙容水箱水溫控制

第6章 電阻爐溫度控制裝置
3.6.1 電阻爐溫度控制裝置簡介
3.6.2 電阻爐溫度控制過程仿真實驗
3.6.3 電阻爐溫度控制過程實時監控
3.6.4 實踐課題

第7章 倒立擺控制裝置
3.7.1 直線型倒立擺實驗裝置
3.7.2 直線一級倒立擺機理建模
3.7.3 直線一級倒立擺的PID控制
3.7.4 直線一級倒立擺的狀態反饋控制
3.7.5 實踐課題

第8章 教學機器人
3.8.1 教學機器人簡介
3.8.2 教學機器人的直線行走
3.8.3 教學機器人的直線行走控制
3.8.4 實踐課題．I
附錄1 Simulink模塊庫圖標和名稱一覽表
附錄2 控制原理實驗報告寫作指導
參考文獻

3.控制系統結構設計和控制器結構設計
進行一個實際過程的控制系統結構設計工作的前提是已熟知該過程特性并制訂好了控制性能指標。一般情況下，采用常見的負反饋串聯控制器的典型控制系統結構即可。當要求較高的控制質量時，可采用串級控制系統結構。當被控過程存在可測擾動通道時，應考慮前饋反饋復合控制結構。當被控過程存在大遲延環節時，可考慮采用遲延補償控制系統結構。
在控制系統大結構確定之後，可進行控制器具體結構的設計工作（控制器具體結構設計亦被稱為控制規律的選用或設計）。控制器具體結構設計和控制系統分析與設計方法密切相關，可以考慮采用已學過的任一種方法：時域法、根軌跡法、頻域法、狀態空間法、非線性法。控制器具體結構設計還和被控過程特性及訂好的控制性能指標密切相關。例如，采用負反饋串聯控制器的典型控制系統大結構并確定選用PID控制器，又要求設定值階躍響應無穩態誤差的時候，若被控過程是有自平衡過程，那么至少應選用PI控制器。再如，采用負反饋串聯控制器的典型控制系統大結構并確定用頻域法設計典型串聯控制器，又有較高的快速性指標的時候，若被控過程是大慣性過程，那么應選用超前型控制器。總之，控制規律的設計應當依據控制對象特性的特點。許多針對特定控制過程非常好用的控制律都是前輩們通過長期的實踐探索出來的。這些專用的控制律不一定精美、華麗或通用，但是對于某個特定過程特別有效。不管是通用控制律還是專用控制律，對于某個的實際過程的控制律設計的關鍵就是找出最匹配的那一個。
4.控制器參數整定
在控制器的具體結構設計完成之後，需要進行控制器的參數設計和確定工作。這個工作被稱為控制器的參數整定。不同的控制器將有不同的參數整定方法。例如，PID控制器的常用參數整定方法有衰減曲線法和Z-N法。控制器的參數整定過程常常是費力耗時的。一般可分成初值理論計算、性能指標驗算、仿真試驗和實際試驗多個階段。當預期的指標不能滿足時，還不得不重新再來。