第1章 基础知识 1
1.1 线性定常系统概述 1
1.1.1 线性定常系统的数学模型和基本性质 1
1.1.2 线性定常系统的基本动力学特性 2
1.1.3 线性定常系统的典型结构 2
1.1.4 系统的稳定性分析 3
1.2 线性定常系统的品质分析 5
1.2.1 单位阶跃响应的性能指标 5
1.2.2 系统稳态误差分析 6
1.2.3 闭环频率特性和系统阶跃响应的关系 8
1.2.4 开环频率特性和系统阶跃响应的关系 9
1.2.5 根轨迹方法 9
1.2.6 系统的校正方法 13
1.3 线性定常系统的状态空间方法 15
1.3.1 线性定常系统的状态空间模型 15
1.3.2 单输入系统的可控性 17
1.3.3 单输出系统的可观测性 18
1.3.4 传递函数的动态方程实现 20
1.3.5 状态反馈和极点配置 20
1.3.6 全维状态观测器 21
1.3.7 系统稳定性分析 22
1.4 采样系统理论 22
1.4.1 采样过程和采样定理 22
1.4.2 零阶保持器 23
1.4.3 脉冲传递函数 23
1.4.4 采样系统的稳定性 24
1.4.5 闭环极点与瞬态响应之间的关系 25
1.4.6 稳态误差 25
1.4.7 最小拍无差系统 26
1.5 非线性系统分析 27
1.5.1 相平面法基础 27
1.5.2 线性系统的相轨迹 27
1.5.3 相轨迹作图 29
1.5.4 由相平面求时间解 30
1.5.5 非线性系统相平面分析 30
1.5.6 非线性系统的描述函数分析 31
本章思考题 31
第2章 实验基本理论和方法 33
2.1 概述 33
2.2 典型的测试信号 34
2.3 控制系统动态特性的基本测试方法 36
2.3.1 控制系统动态特性的时域测试法 36
2.3.2 控制系统动态特性的频域测试法 40
2.4 实验调试及测试数据处理 42
2.4.1 测量 42
2.4.2 误差的定义和分类 42
2.4.3 实验结果的处理 44
2.5 实验要求 46
2.5.1 预习要求 46
2.5.2 实验要求 47
2.5.3 实验报告要求 48
本章思考题 49
第3章 自动控制系统的模拟计算机仿真 50
3.1 概述 50
3.2 自动控制原理模拟机的组成 51
3.2.1 组成运算部件的基本原理 53
3.2.2 主要运算部件 54
3.3 典型环节的模拟 56
3.3.1 比例环节 56
3.3.2 积分环节 57
3.3.3 微分环节 57
3.3.4 惯性环节 57
3.3.5 比例积分环节 57
3.3.6 比例微分环节 58
3.3.7 模拟仿真实例 58
3.4 非线性特性的模拟 59
3.4.1 电位器接地式二极管单元 60
3.4.2 饱和特性的模拟 61
3.4.3 理想继电器特性的模拟 63
3.4.4 死区的模拟 63
3.5 常用时间函数的模拟 64
3.6 控制系统的模拟 66
3.6.1 根据微分方程的模拟 66
3.6.2 根据方框图的模拟 68
本章思考题 70
第4章 自动控制系统的数字计算机仿真 71
4.1 数字仿真的基本概念 71
4.2 相关的数值计算方法 71
4.3 控制系统的数字仿真 77
4.3.1 传递函数的识别与处理 77
4.3.2 时域响应的数字仿真 78
4.3.3 根轨迹图的计算机绘制 79
4.3.4 频率特性的数字仿真 80
4.3.5 相平面图的计算机绘制 80
4.3.6 状态空间法的数字仿真 81
4.4 MATLAB仿真 83
4.4.1 MATLAB简介 83
4.4.2 MATLAB运行环境 84
4.4.3 Simulink的应用 86
4.4.4 GUI图形界面可视化实现 88
4.4.5 MATLAB在自动控制原理上的应用 93
本章思考题 96
第5章 自动控制系统的混合计算机仿真 97
5.1 概述 97
5.2 混合计算机仿真系统的组成 97
5.3 自动控制系统仿真接口设备 98
5.4 数据采集和通信 104
5.5 典型实验系统的仿真实现 107
5.5.1 典型环节的实现 108
5.5.2 频率响应测试环节的实现 109
5.5.3 控制系统串联校正实验环节的实现 111
5.5.4 非线性环节对系统动态过程的响应实验环节的实现 113
5.5.5 采样系统实验环节的实现 115
5.5.6 状态反馈与状态观测器实验环节的实现 116
本章思考题 117
第6章 实验单元 118
6.1 验证性实验单元 118
实验一 典型环节的特性分析 118
实验二 控制系统的动态响应及其稳定性分析 121
实验三 频率特性测试 123
实验四 零点对系统响应的影响 125
实验五 非线性系统的相平面法研究 128
实验六 非线性系统的描述函数法研究 131
实验七 采样系统的研究 133
6.2 设计性实验单元 137
实验一 控制系统串联校正研究 137
实验二 数字PID校正的控制器设计 139
实验三 最少拍控制系统的实验研究 141
实验四 状态反馈的设计与实现 143
实验五 带观测器的状态反馈系统的研究 145
实验六 控制系统的计算机辅助分析与实验设计 148
6.3 Multisim仿真应用实验 151
6.3.1 二阶电路分析 153
6.3.2 控制系统稳态误差 155
6.3.3 控制系统串联校正分析 157
6.3.4 采样控制系统分析 159
本章思考题 161
第7章 典型自动控制系统的综合实验 162
7.1 直流小功率随动系统实验 162
7.1.1 随动系统的工作原理及组成 162
7.1.2 随动系统的主要部件测试 166
7.1.3 随动系统数字控制器实现 171
7.1.4 数字随动系统的实验研究 180
7.2 旋臂式倒立摆实验系统 186
7.2.1 旋臂式倒立摆系统简介 186
7.2.2 系统组成及工作原理 187
7.2.3 旋臂式倒立摆系统的数学模型 189
7.2.4 实时控制器的设计与实现 191
7.2.5 实验内容和要求 193
7.3 数字式桥式吊车控制系统 194
7.3.1 系统组成、工作原理及技术指标 195
7.3.2 数学模型的建立 197
7.3.3 控制系统设计 199
7.3.4 系统性能调试与分析 202
7.4 双容水箱数控系统 203
7.4.1 系统的结构及工作原理 203
7.4.2 主要部件的工作原理和性能指标 205
7.4.3 控制系统设计 207
7.4.4 实验内容和要求 208
本章思考题 209
第8章 虚拟仪器的应用 210
8.1 虚拟仪器概述 210
8.1.1 虚拟仪器的产生和发展 210
8.1.2 虚拟仪器的组成 215
8.1.3 虚拟仪器软件技术 217
8.2 LabVIEW概述 218
8.2.1 LabVIEW程序设计的一般过程 219
8.2.2 LabVIEW工作环境 221
8.3 多功能数据采集卡 225
8.3.1 DAQ数据采集模块 225
8.3.2 VXI-MIO系列数据采集模块 226
8.4 虚拟仪器应用设计实例 227
8.4.1 数字三用表 227
8.4.2 数字双踪示波器 229
8.4.3 数字记录仪（笔录仪） 232
8.4.4 虚拟信号发生器 234
8.4.5 频谱分析仪 236
本章思考题 240
参考文献 241