按素質教育的思想來撰寫實驗指導，以適應實踐性教學改革和培養高素質、創新人才的需要。

內容上不僅滿足自動控制原理實驗課程教學要求，還包括計算機控制理論與技術、過程控制系統、控制系統課程設計、控制系統實踐等課程的教學實驗內容。

教材的編寫盡量考慮通用性，遵循“寬編窄用”的內容選取原則和模塊化的內容組織原則。

實驗內容不僅具有教學上的典型性、代表性，而且具有技術上的實用性，可作為工程技術人員開發設計控制系統的實用參考書。

本書是為自動控制系列課程的實踐性教學環節而編寫的，是新世紀電子信息與自動化系列課程改革教材之一。

自動化技術將自動化科學原理與方法轉換為工程技術應用，其本身具有橋梁作用、使能作用和系統集成作用。隨著系統、過程的規模越來越復雜，自動化技術的系統集成作用越來越明顯。自動控制系列課程是理論性和工程應用性很強的課程，每一門課程都對應有相應的實踐教學環節。加強實驗教學，不僅有助于理論聯系實際，深化理論教學，而且有助于培養學生的工程實踐能力。本書是在多年控制理論與控制工程方面教學實踐的基礎上編寫而成的。

本教程包括控制原理、計算機控制、過程控制、控制系統計算機輔助分析與設計，及控制系統設計實踐五部分內容。第1章控制原理實驗研究，在介紹實驗研究方法的基礎上設計了10個典型實驗。第2章計算機控制系統設計，包括計算機控制原理和可編程邏輯控制器兩方面，在介紹計算機控制系統硬件、軟件技術基礎上，各設計了5個實驗內容。第3章過程控制系統設計與實驗，介紹在工業領域有著廣泛應用的智能數字儀表控制系統、計算機DDC控制系統、PLC控制系統，并設計了相關實驗。第4章控制系統計算機輔助分析與設計，對廣泛應用的MATLAB軟件的基本操作、控制系統輔助分析、設計方法進行針對性的介紹。第5章控制系統設計實踐，討論控制系統設計的一般過程和工程方法，對典型控制系統的原理、模型、控制器設計、實現技術進行介紹。

本教程按素質教育的思想來撰寫實驗指導，以適應實踐性教學改革和培養高素質、創新人才的需要。內容上不僅滿足自動控制原理實驗課程教學要求，還包括計算機控制理論與技術、過程控制系統、控制系統課程設計、控制系統實踐等課程的教學實驗內容。教材的編寫參考了相關學校的實驗指導書，盡量考慮教材的通用性，遵循“寬編窄用”的內容選取原則和模塊化的內容組織原則。由于各學校采用的實驗設備不同，實驗步驟有一定的差別，但實驗原理和方法是一致的，書中所列實驗內容可根據教學時數和實驗條件的不同選做，也可作為學生課外實踐和畢業設計參考內容。本教程的實驗內容不僅具有教學上的典型性、代表性，而且具有技術上的實用性，可作為工程技術人員開發設計控制系統的實用參考書。

本書第1、3、4章由彭學鋒編寫，第2章由劉建斌編寫，第5章由魯興舉編寫。鄒逢興教授為本書的體系結構和內容選取提供了寶貴的指導意見，在此深表謝意。在本書的編寫過程中，借鑒了相關學校和教學儀器生產廠商的教材和指導書，謹對作者表示衷心的感謝。還要感謝徐曉紅、薛小波、張紅、陳立剛、李治斌等同志對本書提出的修改意見，感謝出版社同志為本書付出的辛勤勞動。

由于作者水平有限，書中難免有遺漏和不當之處，懇請廣大讀者批評指正。

作者

2006年1月

總序
前言
第1章 控制原理實驗研究 1
1.1 控制原理實驗分析方法 2
1.1.1 控制系統測量分析方法 2
1.1.2 控制原理模擬研究方法 10
1.2 控制原理模擬實驗 17
1.2.1 典型環節的模擬與參數測量 17
1.2.2 控制系統的穩定性分析 19
1.2.3 控制系統穩態誤差研究 20
1.2.4 頻率特性的測試 22
1.2.5 控制系統串聯校正分析 23
1.2.6 串聯校正環節設計 24
1.2.7 非線性系統的相平面法研究 26
1.2.8 非線性系統的描述函數法研究 27
1.2.9 狀態反饋的設計與實現 29
1.2.10 狀態觀測器的研究 30
第2章 計算機控制系統設計 33
2.1 計算機控制技術 34
2.1.1 計算機控制系統組成 34
2.1.2 直流伺服電動機的控制原理及數學建模 34
2.1.3 步進電機的控制原理 35
2.2 計算機控制系統實驗平臺 37
2.2.1 AEDK-JDK機電實驗平臺硬件 37
2.2.2 AEDK-JDK實驗平臺軟件設計 41
2.3 計算機控制系統實驗 52
2.3.1 直流電動機速度調節和方向控制實驗 52
2.3.2 步進電動機基本原理實驗 53
2.3.3 步進電動機速度調節和方向控制實驗 54
2.3.4 反饋信號測量實驗 55
2.3.5 實驗平臺I/O測試實驗 56
2.4 S7-200 PLC及其指令 56
2.4.1 S7-200 PLC硬件系統 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控制系統設計 81
2.5.1 PLC控制系統設計步驟及內容 81
2.5.2 PLC程序設計的常用方法 83
2.5.3 常用基本環節編程 84
2.5.4 設計舉例——液體混合裝置的PLC控制系統設計 88
2.6 STEP 7-Micro/WIN32編程軟件介紹 92
2.6.1 軟件功能 92
2.6.2 編程 95
2.6.3 調試及運行監控 98
2.7 可編程控制器實驗 101
2.7.1 PLC2000B型可編程控制實驗箱 101
2.7.2 基本指令的編程練習實驗 103
2.7.3 LED數碼顯示實驗 104
2.7.4 液體混合裝置控制的模擬實驗 106
2.7.5 四節傳送帶的模擬實驗 107
2.7.6 電梯控制系統的模擬實驗 108
第3章 過程控制系統設計與實驗 111
3.1 AE2000A過程控制系統 112
3.1.1 AE2000A系統實驗對象組成結構 112
3.1.2 儀表過程控制系統組成結構 115
3.1.3 計算機過程控制系統組成結構 118
3.1.4 可編程邏輯控制器過程控制系統組成結構 121
3.2 過程控制系統設計與實驗 122
3.2.1 一階單容上水箱對象特性測試實驗 122
3.2.2 二階雙容下水箱對象特性測試實驗 125
3.2.3 上水箱液位PID整定實驗 127
3.2.4 鍋爐內膽溫度二位式控制實驗 131
3.2.5 鍋爐內膽溫度PID控制實驗（動態） 132
3.2.6 流量PID整定實驗 134
3.2.7 電磁和渦輪流量計流量比值控制實驗 136
3.2.8 上水箱下水箱液位串級控制實驗 137
3.2.9 串接雙容下水箱液位PID整定實驗 139
3.3 過程控制系統監控軟件設計 140
3.3.1 MCGS組態軟件的功能和系統構成 141
3.3.2 MCGS組態軟件的安裝運行 142
3.3.3 MCGS組態軟件的組態過程 144
3.3.4 制作工程畫面 145
3.3.5 MCGS組態軟件的動畫連接 148
3.3.6 MCGS組態軟件的報警顯示、報表輸出和曲線顯示 152
3.3.7 MCGS組態軟件的安全機制 154
3.3.8 MCGS組態軟件的系統設備使用說明 155
第4章 控制系統計算機輔助分析與設計 159
4.1 仿真軟件MATLAB 160
4.1.1 MATLAB的基本操作 160
4.1.2 MATLAB的數值運算 162
4.1.3 MATLAB的繪圖功能 170
4.2 控制系統的數學模型及其轉換 171
4.2.1 控制系統模型的基本描述方法 171
4.2.2 控制系統模型間的互相轉換 174
4.2.3 控制系統模型的連接 175
4.3 控制系統計算機輔助分析 177
4.3.1 控制系統的穩定性分析 177
4.3.2 控制系統的時域分析 179
4.3.3 根軌跡分析 181
4.3.4 控制系統頻域分析 183
4.3.5 控制系統的能控性和能觀測性分析 185
4.4 控制系統計算機輔助設計 186
4.4.1 控制系統串聯校正設計 186
4.4.2 狀態反饋和狀態觀測器設計 188
4.4.3 最優控制系統設計 190
4.4.4 基于MATLAB工具箱的控制系統設計 191
4.5 動態仿真集成環境Simulink 198
4.5.1 控制系統模型構造 198
4.5.2 連續系統數字仿真 203
4.5.3 Simulink的擴展工具——S函數 204
第5章 控制系統設計實踐 211
5.1 控制系統設計概論 212
5.1.1 引言 212
5.1.2 控制系統的類型及組成 213
5.1.3 控制系統設計的一般步驟 215
5.1.4 控制系統的性能指標 216
5.1.5 控制系統典型部件 218
5.1.6 控制系統建模方法 220
5.1.7 基本控制作用 222
5.1.8 控制系統設計與工程實現 223
5.2 經典控制系統——隨動控制系統設計 227
5.2.1 概述 227
5.2.2 隨動系統基本原理 227
5.2.3 典型位置隨動系統介紹 228
5.2.4 直流小功率位置隨動系統設計 230
5.3 電氣傳動系統——調速控制系統設計 235
5.3.1 概述 235
5.3.2 調速系統的性能指標 236
5.3.3 直流調速系統 237
5.3.4 交流調速系統 241
5.3.5 調速系統機械結構方面的若干問題 242
5.3.6 小功率直流調速系統設計 243
5.4 不穩定系統——磁懸浮球控制系統設計 244
5.4.1 概述 244
5.4.2 結構原理 244
5.4.3 電磁鐵－小球系統數學模型 245
5.4.4 磁懸浮球控制系統分析與設計 247
5.4.5 磁懸浮球控制系統設計實驗 248
5.5 運動控制系統——四軸運動控制演示平臺實驗研究 253
5.5.1 概述 253
5.5.2 四軸運動控制演示平臺 253
5.5.3 GT-400運動控制器 254
5.5.4 系統硬件連接 260
5.5.5 運動控制器編程 260
5.6 機電一體化——XY運動平臺控制系統設計 273
5.6.1 概述 273
5.6.2 XY運動平臺控制系統介紹 274
5.6.3 XY運動平臺控制系統設計 277
5.7 非線性系統——球桿控制系統設計 281
5.7.1 概述 281
5.7.2 球桿控制系統結構組成與工作原理 281
5.7.3 球桿系統數學模型 283
5.7.4 球桿控制系統設計 285
5.8 非線性自然不穩定系統——倒立擺控制系統設計 287
5.8.1 概述 287
5.8.2 倒立擺控制系統的組成與工作原理 287
5.8.3 倒立擺系統的數學模型 288
5.8.4 倒立擺系統的控制 291
5.8.5 倒立擺控制系統設計 294
5.9 冗余協調機器人——兩自由度冗余并聯機械臂控制系統設計 294
5.9.1 概述 294
5.9.2 冗余并聯機械臂系統構成與原理 295
5.9.3 GPM并聯機構運動學 296
5.9.4 GPM并聯機構運動規劃與控制 298
5.9.5 實驗注意事項 299
5.10 復雜MIMO系統——雙旋翼控制系統設計 299
5.10.1 概述 299
5.10.2 雙旋翼系統的組成和工作原理 299
5.10.3 雙旋翼系統的數學模型 300
5.10.4 雙旋翼系統的姿態控制 306
參考文獻 308

1. 自動控制——建模•分析•設計 [宮二玲 沈輝 編著]
2. 單片機應用系統設計安裝與調試 [主編 田浩鵬]
3. 控制器件（第二版） [鄒逢興 主編]
4. 計算機控制技術 [劉福榮 主 編 ]
5. 計算機控制技術 [主 編 劉福榮]
6. 自動控制原理（第五版）同步輔導及習題全解 [主編 孟浩 劉東星]
7. 計算機控制與仿真技術 [楊立 主編]
8. 自動控制原理 [李明富 曾偉一 主編]
9. 自動控制原理 [林青云 主編]
10. 計算機控制及網絡技術 [龍志強 等編著]
11. 計算機控制與仿真技術（第二版） [楊立 主編]
12. 建筑智能化技術 [謝莉 等編著]