機械工程控制基礎實驗教程（簡體書）

本書是“機械工程控制基礎”課程的配套教材，緊密結合該課程的基本內容，設計了多個實驗，涵蓋控制工程的主要知識單元；同時，考慮到該課程是一門獨立實驗課程，因此本書也保證了知識上的獨立性和完整性。本書將理論與實踐緊密結合，引導學生發現問題、分析問題、解決問題，從而建構理論、形成觀點、提高能力。
本書在實驗內容安排上遵循由簡到難、循序漸進的原則, 實驗環節設置驗證性、設計性和綜合性三種實驗類型，實驗單元多種類、多類型，並對目前控制工程實驗中最常用的技術手段和方法進行了集中介紹，可供不同院校根據自身條件進行選擇。
本書可作為應用型本科院校機械工程類專業、測控技術及儀器類專業的本科教材。

第1章 基礎知識 1
1.1 線性定常系統概述 1
1.1.1 線性定常系統的數學模型和基本性質 1
1.1.2 線性定常系統的基本動力學特性 1
1.1.3 線性定常系統的典型結構 2
1.1.4 系統的穩定性分析 3
1.2 線性定常系統的品質分析 5
1.2.1 單位階躍響應的性能指標 5
1.2.2 系統穩態誤差分析 6
1.2.3 閉環頻率特性和系統階躍響應的關係 9
1.2.4 開環頻率特性和系統階躍響應的關係 10
1.2.5 系統的校正方法 11
1.3 採樣系統理論 12
1.3.1 採樣過程和採樣定理 12
1.3.2 零階保持器 13
1.3.3 脈衝傳遞函數 13
1.3.4 採樣系統的穩定性 14
1.3.5 閉環極點與瞬態響應之間的關係 14
1.3.6 穩態誤差 15
本章思考題 16

第2章 實驗基本理論和方法 17
2.1 概述 17
2.2 典型的測試信號 17
2.3 控制系統動態特性的基本測試方法 19
2.3.1 控制系統動態特性的時域測試法 19
2.3.2 控制系統動態特性的頻域測試法 22
2.4 實驗調試及測試數據處理 24
2.4.1 測量 24
2.4.2 誤差的定義和分類 24
2.4.3 實驗結果的處理 26
2.5 實驗要求 27
2.5.1 預習要求 27
2.5.2 實驗要求 27
2.5.3 實驗報告要求 28
本章思考題 29

第3章 MATLAB介紹 30
3.1 MATLAB簡介 30
3.1.1 MATLAB概述 30
3.1.2 MATLAB界面 32
3.1.3 MATLAB窗口 33
3.2 MATLAB編程技巧(程序設計) 35
3.2.1 MATLAB程序設計基本原則 35
3.2.2 數值表示、 變量、 表達式 36
3.2.3 MATLAB基本運算 36
3.3 Simulink建模方法 40
3.3.1 Simulink仿真工具 40
3.3.2 Simulink的啟動 41
3.3.3 Simulink界面介紹 41
3.3.4 使用Simulink建立系統模型 41
3.3.5 常用模塊內部參數的設置 44
3.3.6 Simulink仿真參數設置 51
3.3.7 用Simulink建立系統模型並仿真範例 53
3.4 MATLAB在控制系統中的應用 54
3.4.1 利用MATLAB進行時域分析 54
3.4.2 利用MATLAB進行頻域分析 62
本章思考題 73

第4章 線性系統的校正和設計 74
4.1 基於MATLAB控制系統的頻率法串聯超前校正設計 74
4.2 基於MATLAB控制系統的頻率法串聯滯後校正設計 82
4.3 基於MATLAB控制系統的頻率法串聯超前-滯後校正設計 86
4.4 連續系統PID控制器設計及其參數整定 91
本章思考題 98

第5章 直線倒立擺建模、 仿真及實驗 99
5.1 直線一級倒立擺 99
5.1.1 直線一級倒立擺的物理模型 99
5.1.2 直線一級倒立擺系統階躍響應分析 105
5.1.3 MATLAB Simulink仿真 106
5.1.4 實驗結果及實驗報告 112
5.2 直線一級倒立擺頻率響應控制實驗 112
5.2.1 頻率響應分析 113
5.2.2 頻率響應設計及仿真 114
5.2.3 直線一級倒立擺頻率響應校正法實驗 120
5.2.4 實驗結果及實驗報告 122
5.3 直線一級倒立擺PID控制實驗 122
5.3.1 PID控制分析 123
5.3.2 PID控制參數設定及仿真 124
5.3.3 PID控制實驗 127
5.3.4 實驗結果及實驗報告 130
本章思考題 130

第6章 直線一級順擺建模和實驗 131
6.1 直線一級順擺的建模與分析 131
6.1.1 直線一級順擺的建模 131
6.1.2 實際系統模型 133
6.1.3 系統可控性分析 134
6.2 直線一級順擺頻率響應分析 134
6.3 直線一級順擺階躍響應分析 135
6.4 直線一級順擺的PID控制仿真與實驗 136
6.4.1 直線一級順擺的PID控制分析與仿真 136
6.4.2 直線一級順擺的PID實時控制實驗 138
本章思考題 140

第7章 紡絲機溫度控制系統實驗 141
7.1 概述 141
7.2 紡絲機溫度控制系統分析 141
7.2.1 紡絲機溫度控制系統硬件構成 141
7.2.2 紡絲機溫度控制系統數學模型 144
7.3 紡絲機溫度控制系統電氣原理圖和人機界面 145
7.3.1 紡絲機溫度控制系統電氣原理圖 145
7.3.2 人機界面(HMI)設計 145
7.4 控制原理及算法實現 148
7.4.1 PID控制 148
7.4.2 PID參數整定 149
7.4.3 PID方法的PLC實現 150
7.5 紡絲機溫度控制系統實驗 151
7.5.1 人機界面 151
7.5.2 溫度控制系統PID控制結果 151
本章思考題 155
參考文獻 156