控制原理與系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教程

前言

自動控制原理”作為自動化、電氣工程及自動化、機(jī)械工程及自動化等專業(yè)的一門重要技術(shù)理論基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的專業(yè)性和實(shí)踐性，掌握自動控制原理基本理論、技術(shù)和方法等知識，對掌握自動化學(xué)科知識結(jié)構(gòu)和提高科技創(chuàng)新能力具有重要作用，將自動控制理論與實(shí)踐應(yīng)用有效結(jié)合是自動化學(xué)科領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系的重要組成部分。本書是國家精品課程“自動控制原理”配套實(shí)驗(yàn)教材。全書共分8章，包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)、非線性控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)和狀態(tài)空間分析法，并對部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了附錄以作參考。與同類書相比，本書具有以下突出特點(diǎn)：運(yùn)用了MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真技術(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)與提高性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，必做實(shí)驗(yàn)與選做實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)相結(jié)合。此外，針對冶金行業(yè)對應(yīng)用型人才需求的要求，本書從工程實(shí)際中選取了一些典型實(shí)驗(yàn)問題，如實(shí)驗(yàn)3.4——帶鋼厚度檢測延時系統(tǒng)根軌跡分析、實(shí)驗(yàn)3.5——軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)根軌跡分析等，有助于學(xué)生了解自動控制技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用，從而為工程實(shí)踐奠定良好的基礎(chǔ)。因此，本書既可作為高等學(xué)校自動化相關(guān)專業(yè)本科生“自動控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)教材和參考書，也可作為相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)參考資料。在本書的編寫過程中，研究生王川、熊薇薇等同學(xué)參加了部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和書稿校對工作。作者借鑒和參考了相關(guān)專著、教材和論文，在此謹(jǐn)向本書參考文獻(xiàn)中所列出的文獻(xiàn)的編著者們和所有在出版本書過程中給予幫助和支持的領(lǐng)導(dǎo)、專家、同事和研究生們表示衷心的謝意！另外，作者還要特別感謝電子工業(yè)出版社的各位領(lǐng)導(dǎo)和編輯為本書的出版所付出的大量心血。由于作者學(xué)識水平有限，疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。本書出版得到了國家精品課程“自動控制原理”建設(shè)項(xiàng)目［教高函(2008)22號］、全國高等學(xué)校教學(xué)研究中心課題(FIB070335-A1-10)等項(xiàng)目的資助。

內(nèi)容概要

　　本書是國家精品課程《自動控制原理》配套教材之一。全書共分8章，包括控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)、非線性控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)、狀態(tài)空間分析法等，并對部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了附錄以作參考。與同類書相比，本書具有以下突出特點(diǎn)：運(yùn)用了MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真技術(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)與提高性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，必做實(shí)驗(yàn)與選做實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)相結(jié)合。 　　本書既可作為高等學(xué)校自動化及其相關(guān)專業(yè)本科生“自動控制原理”課程的實(shí)驗(yàn)教材和參考書，也可作為相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)參考資料。

書籍目錄

第1章  控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型	1實(shí)驗(yàn)1.1  典型環(huán)節(jié)的電路模擬與數(shù)字仿真研究	1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	1三、實(shí)驗(yàn)步驟	3四、實(shí)驗(yàn)要求	3五、思考題	3實(shí)驗(yàn)1.2  基于MATLAB的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立與轉(zhuǎn)換	3一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	3三、實(shí)驗(yàn)步驟	4四、實(shí)驗(yàn)要求	5五、思考題	5實(shí)驗(yàn)1.3  雙容水箱液面系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立	5一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?5二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	6三、實(shí)驗(yàn)步驟	7四、實(shí)驗(yàn)要求	8五、思考題	8實(shí)驗(yàn)1.4  基于MATLAB的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖化簡	8一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?8二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	8三、實(shí)驗(yàn)步驟	8四、實(shí)驗(yàn)要求	10五、思考題	10  第2章  控制系統(tǒng)的時域分析	11實(shí)驗(yàn)2.1  基于MATLAB的控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析	11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?11二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	11三、實(shí)驗(yàn)步驟	12四、實(shí)驗(yàn)要求	13五、思考題	14實(shí)驗(yàn)2.2  二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析	14一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?14二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	14三、實(shí)驗(yàn)步驟	15四、實(shí)驗(yàn)要求	16五、思考題	16實(shí)驗(yàn)2.3  基于MATLAB的控制系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)分析	16一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?16二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	16三、實(shí)驗(yàn)步驟	17四、實(shí)驗(yàn)要求	18五、思考題	18實(shí)驗(yàn)2.4  典型系統(tǒng)的電路模擬及系統(tǒng)性能分析	19一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?19二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	19三、實(shí)驗(yàn)步驟	19四、實(shí)驗(yàn)要求	21五、思考題	22實(shí)驗(yàn)2.5  系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析	22一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?22二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	22三、實(shí)驗(yàn)步驟	23四、實(shí)驗(yàn)要求	23五、思考題	23實(shí)驗(yàn)2.6  基于MATLAB的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析	23一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?23二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	24三、實(shí)驗(yàn)步驟	25四、實(shí)驗(yàn)要求	25五、思考題	26  第3章  根軌跡法	27實(shí)驗(yàn)3.1  控制系統(tǒng)的根軌跡分析	27一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?27二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	27三、實(shí)驗(yàn)步驟	28四、實(shí)驗(yàn)要求	30五、思考題	30實(shí)驗(yàn)3.2  開環(huán)增益與零極點(diǎn)對系統(tǒng)性能的影響	30一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?30二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	30三、實(shí)驗(yàn)步驟	30四、實(shí)驗(yàn)要求	35五、思考題	36實(shí)驗(yàn)3.3  基于MATLAB的控制系統(tǒng)根軌跡繪制	36一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?36二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	36三、實(shí)驗(yàn)步驟	37四、實(shí)驗(yàn)要求	39五、思考題	39實(shí)驗(yàn)3.4  帶鋼厚度檢測延時系統(tǒng)根軌跡分析	40一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?40二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	40三、實(shí)驗(yàn)步驟	41四、實(shí)驗(yàn)要求	41五、思考題	42實(shí)驗(yàn)3.5  軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)根軌跡分析	42一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?42二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	42三、實(shí)驗(yàn)步驟	44四、實(shí)驗(yàn)要求	46五、思考題	47  第4章  控制系統(tǒng)的頻域分析	48實(shí)驗(yàn)4.1  典型環(huán)節(jié)的頻率特性測量	48一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?48二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	48三、實(shí)驗(yàn)步驟	49四、實(shí)驗(yàn)要求	50五、思考題	50實(shí)驗(yàn)4.2  單容水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)	50一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?50二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	50三、實(shí)驗(yàn)步驟	51四、實(shí)驗(yàn)要求	52五、思考題	52實(shí)驗(yàn)4.3  控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究	53一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?53二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	53三、實(shí)驗(yàn)步驟	54四、實(shí)驗(yàn)要求	55五、思考題	55實(shí)驗(yàn)4.4  基于MATLAB的控制系統(tǒng)的伯德圖繪制及分析	55一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?55二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	55三、實(shí)驗(yàn)步驟	56四、實(shí)驗(yàn)要求	57五、思考題	58實(shí)驗(yàn)4.5  基于MATLAB的控制系統(tǒng)的奈奎斯特圖繪制及分析	58一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?58二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	58三、實(shí)驗(yàn)步驟	59四、實(shí)驗(yàn)要求	60五、思考題	60  第5章  控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)	61實(shí)驗(yàn)5.1  PID控制器的動態(tài)特性	61一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?61二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	61三、實(shí)驗(yàn)步驟	63四、實(shí)驗(yàn)要求	63五、思考題	63實(shí)驗(yàn)5.2  基于MATLAB的系統(tǒng)超前校正設(shè)計(jì)	63一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?63二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	64三、實(shí)驗(yàn)步驟	64四、實(shí)驗(yàn)要求	65五、思考題	65實(shí)驗(yàn)5.3  基于MATLAB的系統(tǒng)滯后校正設(shè)計(jì)	65一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?65二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	65三、實(shí)驗(yàn)步驟	66四、實(shí)驗(yàn)要求	67五、思考題	68實(shí)驗(yàn)5.4  基于MATLAB的系統(tǒng)滯后-超前校正設(shè)計(jì)	68一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?68二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	68三、實(shí)驗(yàn)步驟	68四、實(shí)驗(yàn)要求	70五、思考題	70實(shí)驗(yàn)5.5  隨動系統(tǒng)的校正	70一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?70二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	71三、實(shí)驗(yàn)步驟	71四、實(shí)驗(yàn)要求	72五、思考題	72  第6章  非線性控制系統(tǒng)	73實(shí)驗(yàn)6.1  典型非線性環(huán)節(jié)的Simulink仿真	73一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?73二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	73三、實(shí)驗(yàn)步驟	73四、實(shí)驗(yàn)要求	73五、思考題	74實(shí)驗(yàn)6.2  典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬與數(shù)字仿真研究	74一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?74二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	74三、實(shí)驗(yàn)步驟	74四、實(shí)驗(yàn)要求	75五、思考題	75實(shí)驗(yàn)6.3  非線性系統(tǒng)相平面法的電路模擬與數(shù)字仿真研究	75一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?75二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	75三、實(shí)驗(yàn)步驟	75四、實(shí)驗(yàn)要求	76五、思考題	76實(shí)驗(yàn)6.4  非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法的電路模擬與數(shù)字仿真研究	76一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?76二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	76三、實(shí)驗(yàn)步驟	76四、實(shí)驗(yàn)要求	77五、思考題	77  第7章  離散控制系統(tǒng)	78實(shí)驗(yàn)7.1  采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的混合仿真研究	78一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?78二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	78三、實(shí)驗(yàn)步驟	78四、實(shí)驗(yàn)要求	79五、思考題	79實(shí)驗(yàn)7.2  采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究	79一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?79二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	79三、實(shí)驗(yàn)步驟	80四、實(shí)驗(yàn)要求	80五、思考題	80實(shí)驗(yàn)7.3  基于MATLAB的采樣控制系統(tǒng)分析	81一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?81二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	81三、實(shí)驗(yàn)步驟	81四、實(shí)驗(yàn)要求	82五、思考題	82實(shí)驗(yàn)7.4  采樣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)	82一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?82二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	82三、實(shí)驗(yàn)步驟	83四、實(shí)驗(yàn)要求	83五、思考題	83  第8章  狀態(tài)空間分析法	84實(shí)驗(yàn)8.1  基于MATLAB的線性系統(tǒng)狀態(tài)空間描述	84一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?84二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	84三、實(shí)驗(yàn)步驟	84四、實(shí)驗(yàn)要求	86五、思考題	86實(shí)驗(yàn)8.2  狀態(tài)觀測器模擬電路仿真與分析	86一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?86二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	86三、實(shí)驗(yàn)步驟	86四、實(shí)驗(yàn)要求	87五、思考題	87實(shí)驗(yàn)8.3  基于MATLAB的狀態(tài)反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析	88一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?88二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	88三、實(shí)驗(yàn)步驟	88四、實(shí)驗(yàn)要求	91五、思考題	92實(shí)驗(yàn)8.4  極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制的電路模擬與數(shù)字仿真	92一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?92二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	92三、實(shí)驗(yàn)步驟	93四、實(shí)驗(yàn)要求	93五、思考題	93實(shí)驗(yàn)8.5  基于狀態(tài)空間方法的二級倒立擺控制算法設(shè)計(jì)	93一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?93二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	93三、實(shí)驗(yàn)步驟	96四、實(shí)驗(yàn)要求	97五、思考題	97實(shí)驗(yàn)8.6  基于MATLAB的最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)	97一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?97二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	97三、實(shí)驗(yàn)步驟	99四、實(shí)驗(yàn)要求	103五、思考題	104實(shí)驗(yàn)8.7  基于MATLAB的線性二次最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)	104一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?104二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容	104三、實(shí)驗(yàn)步驟	105四、實(shí)驗(yàn)要求	106五、思考題	107附錄A  ACT-I實(shí)驗(yàn)箱典型環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn)方案	108附錄B  ACT-I實(shí)驗(yàn)箱慣性環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn)方案	111附錄C  Simulink仿真環(huán)境簡介	115附錄D  實(shí)驗(yàn)6.2的參考方案	117附錄E  實(shí)驗(yàn)6.3的參考方案	121附錄F  實(shí)驗(yàn)6.4的參考方案	126附錄G  實(shí)驗(yàn)7.1的參考方案	129附錄H  實(shí)驗(yàn)7.2的參考方案	132附錄I   實(shí)驗(yàn)8.4的參考方案	135附錄J  實(shí)驗(yàn)5.4中l(wèi)eadc函數(shù)示例	139附錄K  實(shí)驗(yàn)5.4中perf函數(shù)示例	141參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

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