自动控制原理实验教程——MATLAB编程与虚拟仿真

本书是工科类专业的实验教学教材，配套有2021年江苏省省级金课"城市追踪场景下的自动控制虚拟仿真实验”。该虚拟仿真课程给学生提供了一个随时随地实验学习的平台。本书涵盖了经典控制理论与现代控制理论的重点和难点内容，强调理论与实际相结合，主要内容包括MATLAB软件基础、四旋翼无人机虚拟仿真实验平台、控制系统的时域分析、根轨迹分析与设计、线性系统的频域分析法、线性系统的串联校正、非线性控制系统分析、状态空间分析及很优控制、无人机自动跟踪虚拟仿真综合实验，配以MATLAB软件的相关函数和代码，提供控制理论相关问题求解的实验方法。实验内容具有典型性和代表性，在实验设计上体现了实用性和优选性。
本书适用于自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器及智能科学与技术等电气信息类专业，同时适合工科相关本科专业的学生自学，也可作为研究生的学习资料。

万佑红，教授，自动化专业优秀教学团队带头人，从事控制领域课程教学二十余年，长期承担《自动控制原理》、《MATLAB与仿真》、《智能控制》等课程的教学工作。近年来主要从事复杂系统的建模及其控制优化等领域的研究工作，先后参与并主持了国家自然基金项目、省自然基金项目和企业合作课题10余项，发表学术论文50余篇。

第1章MATLAB软件基础1
1.1MATLAB基本介绍1
1.1.1MATLAB软件的安装与主要工作界面1
1.1.2MATLAB的变量2
1.1.3MATLAB的基本运算3
1.1.4如何在MATLAB中获得帮助4
1.2MATLAB基础知识4
1.2.1矩阵的创建与寻访5
1.2.2多项式的表达与计算7
1.2.3常用控制流与M文件9
1.2.4基本绘图方法14
1.3控制系统Simulink仿真环境18
1.3.1Simulink简介18
1.3.2Simulink的基本模块19
1.3.3Simulink的基本操作22
1.3.4Simulink的建模示例24
第2章四旋翼无人机虚拟仿真实验平台27
2.1四旋翼无人机机身结构与飞行原理27
2.2四旋翼无人机动力学方程29
2.2.1坐标描述及其转换关系29
2.2.2动力学方程的建立29
2.2.3姿态角模型简化33
2.2.4位置模型简化34
2.3虚拟仿真实验平台介绍35
2.4四旋翼无人机虚拟仿真认知实验36
第3章控制系统的时域分析43
3.1控制系统的时域分析方法43
3.1.1典型输入信号43
3.1.2控制系统的稳定性44
3.1.3控制系统的动态性能45
3.1.4控制系统的稳态性能46
3.1.5一阶系统的时域分析48
3.1.6二阶系统的时域分析49
3.2时域分析常用的MATLAB函数52
3.2.1传递函数的MATLAB表示方法52
3.2.2MATLAB时域分析方法54
3.3控制系统的时域分析仿真实验62
3.3.1一阶系统的时域分析仿真实验62
3.3.2二阶系统的时域分析仿真实验63
3.3.3四旋翼无人机建模实验64
3.3.4虚拟仿真下的时域分析68
第4章根轨迹分析与设计70
4.1绘制根轨迹的基本法则70
4.1.1根轨迹的分支数、对称性、连续性70
4.1.2根轨迹的起点与终点70
4.1.3根轨迹的渐近线70
4.1.4实轴上的根轨迹71
4.1.5根轨迹的分离点与分离角71
4.1.6根轨迹的起始角与终止角71
4.1.7根轨迹与虚轴的交点71
4.1.8根之和72
4.2根轨迹绘制常用函数72
4.3阶跃响应的根轨迹分析74
4.3.1阻尼比线和自然频率栅格线绘制74
4.3.2根轨迹分析与设计工具rltool75
4.4线性系统根轨迹仿真实验78
第5章线性系统的频域分析法80
5.1频率特性80
5.1.1频率特性的基本概念80
5.1.2频率特性的几何表示法81
5.1.3典型环节的频率特性82
5.2稳定判据和稳定裕度83
5.2.1Nyquist稳定判据83
5.2.2对数频率稳定判据83
5.2.3稳定裕度84
5.3频域分析法的MATLAB函数84
5.3.1频率特性绘制命令85
5.3.2幅值裕量和相位裕量87
5.4线性系统的频域分析实验87
5.4.1二阶系统的频域分析实验87
5.4.2虚拟仿真下频域的控制原理88
第6章线性系统的串联校正90
6.1控制系统的校正设计方法90
6.1.1串联超前校正90
6.1.2串联滞后校正91
6.2基于MATLAB的串联校正设计92
6.2.1基于频率法的串联超前校正92
6.2.2基于频率法的串联滞后校正93
6.3线性系统串联校正实验96
6.4基于硬件的串联校正设计97
6.4.1典型环节的模拟电路97
6.4.2连续系统串联校正99
第7章非线性控制系统分析101
7.1非线性控制系统概述101
7.1.1控制系统中的典型非线性特性101
7.1.2非线性控制系统的特殊性103
7.1.3非线性控制系统的分析方法104
7.2描述函数法104
7.2.1描述函数的基本概念105
7.2.2典型非线性元件的描述函数107
7.2.3用描述函数法分析系统的稳定性110
7.3改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用112
7.3.1改变线性部分的参数或针对线性部分进行校正112
7.3.2改变非线性特性113
7.3.3非线性特性的利用113
7.4非线性系统中的MATLAB函数114
7.5非线性控制系统分析实验116
7.5.1典型非线性环节模拟116
7.5.2非线性控制系统分析118
7.5.3非线性系统的相平面法120
第8章状态空间分析及很优控制122
8.1观测器和极点配置122
8.1.1线性系统状态空间描述122
8.1.2状态空间基本概念123
8.1.3状态空间表达式124
8.1.4状态观测器127
8.1.5极点配置128
8.1.6全维状态观测器设计130
8.2很优控制132
8.2.1很优控制的基本原理132
8.2.2很优控制的应用类型134
8.2.3很优控制的研究方法135
8.2.4线性二次型问题的很优控制136
8.2.5无限时间定常状态调节器137
8.2.6很优闭环系统的渐近稳定性138
8.3状态空间分析及很优控制的MATLAB函数140
8.3.1状态空间分析的MATLAB函数140
8.3.2很优控制的MATLAB函数141
8.4现代控制理论实验142
8.4.1观测器和极点配置实验设计142
8.4.2四旋翼无人机观测器和极点配置虚拟仿真实验143
8.4.3很优控制实验设计144
第9章无人机自动跟踪虚拟仿真综合实验146
9.1虚拟仿真实验目的146
9.2虚拟仿真实验原理147
9.2.1数学建模147
9.2.2控制策略148
9.3虚拟仿真实验内容149
9.4虚拟仿真实验步骤150
9.4.1学生交互性操作步骤（共11步）150
9.4.2交互性步骤详细说明152
9.5虚拟仿真实验记录167
9.6虚拟仿真实验拓展思考168
参考文献