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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