自动控制理论虚拟仿真与实验设计

自动控制理论是自动化专业及其相关专业的必修实验课程。本书所有实验围绕课堂自动控制理论知识点而设计，可作为自动控制原理课程的辅助教材。书中实验数据从虚拟仿真到实物设计均采用了程序运算，提高了计算精度也节省了计算时间。书中第2章实验十二，由刘士涵同学帮助编写了程序。第4章实验结合了Quanser公司QUBE-Servo 2实验设备，该部分内容得到了北京优诺智奇科技有限公司总经理刘洋的大力支持，书中的大量实验图形和结果均是他提供的；同时，该部分实验内容也得到上海鲲航智能科技有限公司总经理马凯的支持。没有他们的帮助，本书无法完成，在此深表感谢。 
由于控制科学已经发展到以复杂系统为研究对象的智能控制阶段，利用互联网实现远程控制也成为一种研究方向。书中的实验均可作为远程控制实验内容，结合了中国大学MOOC的《自动控制理论实验》需求，引入的案例可与MOOC同步学习。
本书的*特色是案例实验教学，在内容上将MATLAB函数、编程方法、仿真、实际硬件平台对象分析融为一体，将传统控制理论实验手段与计算机的应用相结合，讲解过程从虚拟仿真到实物验证，内容精炼，重点突出，帮助读者理解理论知识和实际运用，同时，也对参加大学生创新、增强学生实验设计能力具有很好的辅助作用。

本书共包含4章内容。第1章为自动控制理论实验基础，介绍了自动控制及系统的组成、稳定性的概念及传递函数的建立方法。第2章利用MATLAB提供的强大数据处理、绘图函数和命令设计了12个小实验。第3章使用Simulink仿真工具设计了7个小实验。第4章结合电机及倒立摆硬件对象设计了11个实验内容。在此基础上，读者可根据虚拟仿真实验算法在硬件平台上扩展。这些实验从时域、频域、根轨迹、非线性及状态空间几个方面，完成对系统性能指标验证及控制系统设计。书中还使用APP编写了实验界面，通过人-机交互完成PID控制参数设计。每个实验通过说明、案例列出了详细操作步骤，引导读者自行完成实验内容。本书中的实验包括实验目的、实验内容、操作步骤及实验要求，*后附有思考题。本书*后使用附录的形式增加了绘图及函数的使用方法，帮助读者在完成从仿真分析到实物验证、再到设计控制参数时，通过输出图形进行对比分析，能直观地判别性能指标。书中的实验案例列举了大量图形，使抽象的理论变得生动形象，不仅能帮助读者理解自动控制理论知识，还能使其在实验中增加兴趣。
本书可作为高等院校工科自动化、电气工程自动化、机械工程及自动化、仪表及测试等专业的教科书，亦可作为自动控制类的各专业工程技术人员自学参考的实验教材。

姜增如，女，北京理工大学自动化学院副教授，研究方向是控制科学与工程、数据库、计算机网络，主讲《过程控制》和《自动控制理论实验设计》课程，兼顾讲授《计算机网络基础》、《网页设计与制作》及《数据库技术》等计算机方面课程。 

第1章 自动控制理论实验基础
 1.1 自动控制及控制系统
1.1.1 常见的自动控制系统
1.1.2 开环与闭环控制
1.1.3 程序自动控制
 1.2 控制系统的稳定性
1.2.1 稳定性的描述
1.2.2 稳定性的图形表示
 1.3 传递函数模型
1.3.1 传递函数的定义
1.3.2 传递函数的性质
1.3.3 传递函数的主要应用
 1.4 系统的开环和闭环传递函数
1.4.1 开环传递函数
1.4.2 闭环传递函数
 1.5 传递函数的常用形式及建立方法
1.5.1 多项式传递函数形式
1.5.2 零极点传递函数形式
1.5.3 状态空间形式
1.5.4 标准传递函数形式
1.5.5 延迟环节传递函数形式
1.5.6 建立传递函数的方法
 1.6 传递函数的形式转换
1.6.1 多项式到零极点传递函数
1.6.2 零极点到多项式传递函数
1.6.3 多项式传递函数到状态空间
1.6.4 状态空间到多项式传递函数
1.6.5 零极点到状态空间
1.6.6 状态空间到零极点传递函数
1.6.7 由传递函数获取系数
第2章 基于MATLAB虚拟仿真实验
 实验一 框图化简
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验二 控制系统的瞬态响应分析
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验三 二阶系统阶跃响应分析
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验四 稳定性分析
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验五 线性系统的频域分析与根轨迹分析
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验六 PID控制器参数设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验七 频域法超前和滞后校正设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验八 根轨迹校正设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验九 状态空间极点配置控制系统设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验十 二次型*控制器设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验十一 使用卡尔曼滤波器设计LQR*控制器
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验十二 利用工程整定法实现PID控制器设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验步骤与要求
四、思考题
第3章 基于Simulink模块仿真实验
 实验一 典型环节与二阶系统仿真
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验二 串联超前、滞后校正仿真设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验三 稳定性及稳态误差仿真
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验四 PID控制器参数设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验五 使用Smith预估器设计PID控制器
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验六 非线性相平面分析与校正设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容与要求
四、思考题
 实验七 状态反馈控制器配置仿真设计
一、实验目的
二、实验案例及说明
三、实验内容及要求
四、思考题
第4章 基于QUBE-Servo 2电机及倒立摆的实验分析与设计
 硬件说明 Quanser QUBE-Servo 2组件
 实验一 基于电机的一阶闭环系统时域分析
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、思考题
 实验二 基于电机二阶闭环系统的时域分析
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、思考题
 实验三 基于位置的二阶闭环系统稳态误差分析
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、思考题
 实验四 基于位置二阶闭环系统的频域分析
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、思考题
 实验五 基于电机的二阶系统的超前校正
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、实验分析
六、思考题
 实验六 基于电机的二阶系统PD控制器设计
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、实验分析
六、思考题
 实验七 基于电机的离散系统分析
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、思考题
 实验八 基于电机的非线性系统分析
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、思考题
 实验九 基于倒立摆的起摆控制
一、实验目的
二、实验方法
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、实验分析
六、思考题
 实验十 基于倒立摆的PD稳摆控制
一、实验目的
二、实验方法
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、实验分析
六、思考题
 实验十一 基于倒立摆的LQR*控制
一、实验目的
二、实验方法
三、实验步骤
四、实验报告要求
五、实验分析
六、思考题
〖HS2〗〖HT4"H〗〖STHZ〗〖WTHZ〗附录 常用绘图
 F1 二维绘图
 F2 三维绘图
 F3 函数插值
F3.1 一维插值
F3.2 二维插值
F3.3 三维插值

本书将古典、非线性和现代控制理论结合起来，借助MATLAB库函数、仿真工具、硬件平台对象完成控制理论的分析和设计实验。通过实时观察实物的动作，增强学生的兴趣和感知能力，帮助学生更好理解自动控制理论,并增强学生的研究能力和创新能力。