自动控制原理实践教程

按素质教育的思想来撰写实验指导，以适应实践性教学改革和培养高素质、创新人才的需要。

内容上不仅满足自动控制原理实验课程教学要求，还包括计算机控制理论与技术、过程控制系统、控制系统课程设计、控制系统实践等课程的教学实验内容。

教材的编写尽量考虑通用性，遵循“宽编窄用”的内容选取原则和模块化的内容组织原则。

实验内容不仅具有教学上的典型性、代表性，而且具有技术上的实用性，可作为工程技术人员开发设计控制系统的实用参考书。

本书是为自动控制系列课程的实践性教学环节而编写的，是新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材之一。

自动化技术将自动化科学原理与方法转换为工程技术应用，其本身具有桥梁作用、使能作用和系统集成作用。随着系统、过程的规模越来越复杂，自动化技术的系统集成作用越来越明显。自动控制系列课程是理论性和工程应用性很强的课程，每一门课程都对应有相应的实践教学环节。加强实验教学，不仅有助于理论联系实际，深化理论教学，而且有助于培养学生的工程实践能力。本书是在多年控制理论与控制工程方面教学实践的基础上编写而成的。

本教程包括控制原理、计算机控制、过程控制、控制系统计算机辅助分析与设计，及控制系统设计实践五部分内容。第1章控制原理实验研究，在介绍实验研究方法的基础上设计了10个典型实验。第2章计算机控制系统设计，包括计算机控制原理和可编程逻辑控制器两方面，在介绍计算机控制系统硬件、软件技术基础上，各设计了5个实验内容。第3章过程控制系统设计与实验，介绍在工业领域有着广泛应用的智能数字仪表控制系统、计算机DDC控制系统、PLC控制系统，并设计了相关实验。第4章控制系统计算机辅助分析与设计，对广泛应用的MATLAB软件的基本操作、控制系统辅助分析、设计方法进行针对性的介绍。第5章控制系统设计实践，讨论控制系统设计的一般过程和工程方法，对典型控制系统的原理、模型、控制器设计、实现技术进行介绍。

本教程按素质教育的思想来撰写实验指导，以适应实践性教学改革和培养高素质、创新人才的需要。内容上不仅满足自动控制原理实验课程教学要求，还包括计算机控制理论与技术、过程控制系统、控制系统课程设计、控制系统实践等课程的教学实验内容。教材的编写参考了相关学校的实验指导书，尽量考虑教材的通用性，遵循“宽编窄用”的内容选取原则和模块化的内容组织原则。由于各学校采用的实验设备不同，实验步骤有一定的差别，但实验原理和方法是一致的，书中所列实验内容可根据教学时数和实验条件的不同选做，也可作为学生课外实践和毕业设计参考内容。本教程的实验内容不仅具有教学上的典型性、代表性，而且具有技术上的实用性，可作为工程技术人员开发设计控制系统的实用参考书。

本书第1、3、4章由彭学锋编写，第2章由刘建斌编写，第5章由鲁兴举编写。邹逢兴教授为本书的体系结构和内容选取提供了宝贵的指导意见，在此深表谢意。在本书的编写过程中，借鉴了相关学校和教学仪器生产厂商的教材和指导书，谨对作者表示衷心的感谢。还要感谢徐晓红、薛小波、张红、陈立刚、李治斌等同志对本书提出的修改意见，感谢出版社同志为本书付出的辛勤劳动。

由于作者水平有限，书中难免有遗漏和不当之处，恳请广大读者批评指正。

作者

2006年1月

总序
前言
第1章 控制原理实验研究 1
1.1 控制原理实验分析方法 2
1.1.1 控制系统测量分析方法 2
1.1.2 控制原理模拟研究方法 10
1.2 控制原理模拟实验 17
1.2.1 典型环节的模拟与参数测量 17
1.2.2 控制系统的稳定性分析 19
1.2.3 控制系统稳态误差研究 20
1.2.4 频率特性的测试 22
1.2.5 控制系统串联校正分析 23
1.2.6 串联校正环节设计 24
1.2.7 非线性系统的相平面法研究 26
1.2.8 非线性系统的描述函数法研究 27
1.2.9 状态反馈的设计与实现 29
1.2.10 状态观测器的研究 30
第2章 计算机控制系统设计 33
2.1 计算机控制技术 34
2.1.1 计算机控制系统组成 34
2.1.2 直流伺服电动机的控制原理及数学建模 34
2.1.3 步进电机的控制原理 35
2.2 计算机控制系统实验平台 37
2.2.1 AEDK-JDK机电实验平台硬件 37
2.2.2 AEDK-JDK实验平台软件设计 41
2.3 计算机控制系统实验 52
2.3.1 直流电动机速度调节和方向控制实验 52
2.3.2 步进电动机基本原理实验 53
2.3.3 步进电动机速度调节和方向控制实验 54
2.3.4 反馈信号测量实验 55
2.3.5 实验平台I/O测试实验 56
2.4 S7-200 PLC及其指令 56
2.4.1 S7-200 PLC硬件系统 57
2.4.2 S7-200 PLC的基本指令 63
2.4.3 S7-200系列PLC的特殊功能寄存器 65
2.5 PLC控制系统设计 81
2.5.1 PLC控制系统设计步骤及内容 81
2.5.2 PLC程序设计的常用方法 83
2.5.3 常用基本环节编程 84
2.5.4 设计举例——液体混合装置的PLC控制系统设计 88
2.6 STEP 7-Micro/WIN32编程软件介绍 92
2.6.1 软件功能 92
2.6.2 编程 95
2.6.3 调试及运行监控 98
2.7 可编程控制器实验 101
2.7.1 PLC2000B型可编程控制实验箱 101
2.7.2 基本指令的编程练习实验 103
2.7.3 LED数码显示实验 104
2.7.4 液体混合装置控制的模拟实验 106
2.7.5 四节传送带的模拟实验 107
2.7.6 电梯控制系统的模拟实验 108
第3章 过程控制系统设计与实验 111
3.1 AE2000A过程控制系统 112
3.1.1 AE2000A系统实验对象组成结构 112
3.1.2 仪表过程控制系统组成结构 115
3.1.3 计算机过程控制系统组成结构 118
3.1.4 可编程逻辑控制器过程控制系统组成结构 121
3.2 过程控制系统设计与实验 122
3.2.1 一阶单容上水箱对象特性测试实验 122
3.2.2 二阶双容下水箱对象特性测试实验 125
3.2.3 上水箱液位PID整定实验 127
3.2.4 锅炉内胆温度二位式控制实验 131
3.2.5 锅炉内胆温度PID控制实验（动态） 132
3.2.6 流量PID整定实验 134
3.2.7 电磁和涡轮流量计流量比值控制实验 136
3.2.8 上水箱下水箱液位串级控制实验 137
3.2.9 串接双容下水箱液位PID整定实验 139
3.3 过程控制系统监控软件设计 140
3.3.1 MCGS组态软件的功能和系统构成 141
3.3.2 MCGS组态软件的安装运行 142
3.3.3 MCGS组态软件的组态过程 144
3.3.4 制作工程画面 145
3.3.5 MCGS组态软件的动画连接 148
3.3.6 MCGS组态软件的报警显示、报表输出和曲线显示 152
3.3.7 MCGS组态软件的安全机制 154
3.3.8 MCGS组态软件的系统设备使用说明 155
第4章 控制系统计算机辅助分析与设计 159
4.1 仿真软件MATLAB 160
4.1.1 MATLAB的基本操作 160
4.1.2 MATLAB的数值运算 162
4.1.3 MATLAB的绘图功能 170
4.2 控制系统的数学模型及其转换 171
4.2.1 控制系统模型的基本描述方法 171
4.2.2 控制系统模型间的互相转换 174
4.2.3 控制系统模型的连接 175
4.3 控制系统计算机辅助分析 177
4.3.1 控制系统的稳定性分析 177
4.3.2 控制系统的时域分析 179
4.3.3 根轨迹分析 181
4.3.4 控制系统频域分析 183
4.3.5 控制系统的能控性和能观测性分析 185
4.4 控制系统计算机辅助设计 186
4.4.1 控制系统串联校正设计 186
4.4.2 状态反馈和状态观测器设计 188
4.4.3 最优控制系统设计 190
4.4.4 基于MATLAB工具箱的控制系统设计 191
4.5 动态仿真集成环境Simulink 198
4.5.1 控制系统模型构造 198
4.5.2 连续系统数字仿真 203
4.5.3 Simulink的扩展工具——S函数 204
第5章 控制系统设计实践 211
5.1 控制系统设计概论 212
5.1.1 引言 212
5.1.2 控制系统的类型及组成 213
5.1.3 控制系统设计的一般步骤 215
5.1.4 控制系统的性能指标 216
5.1.5 控制系统典型部件 218
5.1.6 控制系统建模方法 220
5.1.7 基本控制作用 222
5.1.8 控制系统设计与工程实现 223
5.2 经典控制系统——随动控制系统设计 227
5.2.1 概述 227
5.2.2 随动系统基本原理 227
5.2.3 典型位置随动系统介绍 228
5.2.4 直流小功率位置随动系统设计 230
5.3 电气传动系统——调速控制系统设计 235
5.3.1 概述 235
5.3.2 调速系统的性能指标 236
5.3.3 直流调速系统 237
5.3.4 交流调速系统 241
5.3.5 调速系统机械结构方面的若干问题 242
5.3.6 小功率直流调速系统设计 243
5.4 不稳定系统——磁悬浮球控制系统设计 244
5.4.1 概述 244
5.4.2 结构原理 244
5.4.3 电磁铁－小球系统数学模型 245
5.4.4 磁悬浮球控制系统分析与设计 247
5.4.5 磁悬浮球控制系统设计实验 248
5.5 运动控制系统——四轴运动控制演示平台实验研究 253
5.5.1 概述 253
5.5.2 四轴运动控制演示平台 253
5.5.3 GT-400运动控制器 254
5.5.4 系统硬件连接 260
5.5.5 运动控制器编程 260
5.6 机电一体化——XY运动平台控制系统设计 273
5.6.1 概述 273
5.6.2 XY运动平台控制系统介绍 274
5.6.3 XY运动平台控制系统设计 277
5.7 非线性系统——球杆控制系统设计 281
5.7.1 概述 281
5.7.2 球杆控制系统结构组成与工作原理 281
5.7.3 球杆系统数学模型 283
5.7.4 球杆控制系统设计 285
5.8 非线性自然不稳定系统——倒立摆控制系统设计 287
5.8.1 概述 287
5.8.2 倒立摆控制系统的组成与工作原理 287
5.8.3 倒立摆系统的数学模型 288
5.8.4 倒立摆系统的控制 291
5.8.5 倒立摆控制系统设计 294
5.9 冗余协调机器人——两自由度冗余并联机械臂控制系统设计 294
5.9.1 概述 294
5.9.2 冗余并联机械臂系统构成与原理 295
5.9.3 GPM并联机构运动学 296
5.9.4 GPM并联机构运动规划与控制 298
5.9.5 实验注意事项 299
5.10 复杂MIMO系统——双旋翼控制系统设计 299
5.10.1 概述 299
5.10.2 双旋翼系统的组成和工作原理 299
5.10.3 双旋翼系统的数学模型 300
5.10.4 双旋翼系统的姿态控制 306
参考文献 308

1. 自动控制——建模•分析•设计 [宫二玲 沈辉 编著]
2. 单片机应用系统设计安装与调试 [主编 田浩鹏]
3. 控制器件（第二版） [邹逢兴 主编]
4. 计算机控制技术 [刘福荣 主 编 ]
5. 计算机控制技术 [主 编 刘福荣]
6. 自动控制原理（第五版）同步辅导及习题全解 [主编 孟浩 刘东星]
7. 计算机控制与仿真技术 [杨立 主编]
8. 自动控制原理 [李明富 曾伟一 主编]
9. 自动控制原理 [林青云 主编]
10. 计算机控制及网络技术 [龙志强 等编著]
11. 计算机控制与仿真技术（第二版） [杨立 主编]
12. 建筑智能化技术 [谢莉 等编著]