自動控制原理實驗教程 MATLAB編程與虛擬仿真

第1章 MATLAB軟件基礎 1
1.1　MATLAB基本介紹 1
1.1.1 MATLAB軟件的安裝與主要工作界面 1
1.1.2 MATLAB的變量 2
1.1.3 MATLAB的基本運算 3
1.1.4 如何在MATLAB 中獲得幫助 4
1.2　MATLAB基礎知識 4
1.2.1 矩陣的創(chuàng)建與尋訪 5
1.2.2 多項式的表達與計算 7
1.2.3 常用控制流與M文件 9
1.2.4 基本繪圖方法 14
1.3　控制系統(tǒng)Simulink仿真環(huán)境 18
1.3.1 Simulink簡介 18
1.3.2 Simulink的基本模塊 19
1.3.3 Simulink的基本操作 22
1.3.4 Simulink的建模示例 24
第2章 四旋翼無人機虛擬仿真實驗平臺 27
2.1　四旋翼無人機機身結構與飛行原理 27
2.2　四旋翼無人機動力學方程 29
2.2.1 坐標描述及其轉換關系 29
2.2.2 動力學方程的建立 29
2.2.3 姿態(tài)角模型簡化 33
2.2.4 位置模型簡化 34
2.3　虛擬仿真實驗平臺介紹 35
2.4　四旋翼無人機虛擬仿真認知實驗 36
第3章 控制系統(tǒng)的時域分析 43
3.1　控制系統(tǒng)的時域分析方法 43
3.1.1 典型輸入信號 43
3.1.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 44
3.1.3 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能 45
3.1.4 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 46
3.1.5 一階系統(tǒng)的時域分析 48
3.1.6 二階系統(tǒng)的時域分析 49
3.2　時域分析常用的MATLAB函數(shù) 52
3.2.1 傳遞函數(shù)的MATLAB表示方法 52
3.2.2 MATLAB時域分析方法 54
3.3　控制系統(tǒng)的時域分析仿真實驗 62
3.3.1 一階系統(tǒng)的時域分析仿真實驗 62
3.3.2 二階系統(tǒng)的時域分析仿真實驗 63
3.3.3 四旋翼無人機建模實驗 64
3.3.4 虛擬仿真下的時域分析 68
第4章 根軌跡分析與設計 70
4.1　繪制根軌跡的基本法則 70
4.1.1 根軌跡的分支數(shù)、對稱性、連續(xù)性 70
4.1.2 根軌跡的起點與終點 70
4.1.3 根軌跡的漸近線 70
4.1.4 實軸上的根軌跡 71
4.1.5 根軌跡的分離點與分離角 71
4.1.6 根軌跡的起始角與終止角 71
4.1.7 根軌跡與虛軸的交點 71
4.1.8 根之和 72
4.2　根軌跡繪制常用函數(shù) 72
4.3　階躍響應的根軌跡分析 74
4.3.1 阻尼比線和自然頻率柵格線繪制 74
4.3.2 根軌跡分析與設計工具rltool 75
4.4 線性系統(tǒng)根軌跡仿真實驗 78
第5章 線性系統(tǒng)的頻域分析法 80
5.1　頻率特性 80
5.1.1 頻率特性的基本概念 80
5.1.2 頻率特性的幾何表示法 81
5.1.3 典型環(huán)節(jié)的頻率特性 82
5.2 穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度 83
5.2.1 Nyquist穩(wěn)定判據(jù) 83
5.2.2 對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù) 83
5.2.3 穩(wěn)定裕度 84
5.3 頻域分析法的MATLAB函數(shù) 84
5.3.1 頻率特性繪制命令 85
5.3.2 幅值裕量和相位裕量 87
5.4 線性系統(tǒng)的頻域分析實驗 87
5.4.1 二階系統(tǒng)的頻域分析實驗 87
5.4.2 虛擬仿真下頻域的控制原理 88
第6章 線性系統(tǒng)的串聯(lián)校正 90
6.1　控制系統(tǒng)的校正設計方法 90
6.1.1 串聯(lián)超前校正 90
6.1.2 串聯(lián)滯后校正 91
6.2 基于MATLAB的串聯(lián)校正設計 92
6.2.1 基于頻率法的串聯(lián)超前校正 92
6.2.2 基于頻率法的串聯(lián)滯后校正 93
6.3 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗 96
6.4　基于硬件的串聯(lián)校正設計 97
6.4.1 典型環(huán)節(jié)的模擬電路 97
6.4.2 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正 99
第7章 非線性控制系統(tǒng)分析 101
7.1　非線性控制系統(tǒng)概述 101
7.1.1 控制系統(tǒng)中的典型非線性特性 101
7.1.2 非線性控制系統(tǒng)的特殊性 103
7.1.3 非線性控制系統(tǒng)的分析方法 104
7.2　描述函數(shù)法 104
7.2.1 描述函數(shù)的基本概念 105
7.2.2 典型非線性元件的描述函數(shù) 107
7.2.3 用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性 110
7.3　改善非線性系統(tǒng)性能的措施及非線性特性的利用 112
7.3.1 改變線性部分的參數(shù)或針對線性部分進行校正 112
7.3.2 改變非線性特性 113
7.3.3 非線性特性的利用 113
7.4　非線性系統(tǒng)中的MATLAB函數(shù) 114
7.5　非線性控制系統(tǒng)分析實驗 116
7.5.1 典型非線性環(huán)節(jié)模擬 116
7.5.2 非線性控制系統(tǒng)分析 118
7.5.3 非線性系統(tǒng)的相平面法 120
第8章 狀態(tài)空間分析及 控制 122
8.1　觀測器和極點配置 122
8.1.1 線性系統(tǒng)狀態(tài)空間描述 122
8.1.2 狀態(tài)空間基本概念 123
8.1.3 狀態(tài)空間表達式 124
8.1.4 狀態(tài)觀測器 127
8.1.5 極點配置 128
8.1.6 全維狀態(tài)觀測器設計 130
8.2　 控制 132
8.2.1 控制的基本原理 132
8.2.2 控制的應用類型 134
8.2.3 控制的研究方法 135
8.2.4 線性二次型問題的 控制 136
8.2.5 無限時間定常狀態(tài)調(diào)節(jié)器 137
8.2.6 閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性 138
8.3　狀態(tài)空間分析及 控制的MATLAB函數(shù) 140
8.3.1 狀態(tài)空間分析的MATLAB函數(shù) 140
8.3.2 控制的MATLAB函數(shù) 141
8.4　現(xiàn)代控制理論實驗 142
8.4.1 觀測器和極點配置實驗設計 142
8.4.2 四旋翼無人機觀測器和極點配置虛擬仿真實驗 143
8.4.3 控制實驗設計 144
第9章 無人機自動跟蹤虛擬仿真綜合實驗 146
9.1　虛擬仿真實驗目的 146
9.2　虛擬仿真實驗原理 147
9.2.1 數(shù)學建模 147
9.2.2 控制策略 148
9.3　虛擬仿真實驗內(nèi)容 149
9.4　虛擬仿真實驗步驟 150
9.4.1 學生交互性操作步驟（共11步） 150
9.4.2 交互性步驟詳細說明 152
9.5　虛擬仿真實驗記錄 167
9.6　虛擬仿真實驗拓展思考 168
參考文獻