機械工程控制基礎實驗指導（簡體書）

《機械工程控制基礎實驗教程》圍繞機械工程自動控制學科教學主線構建實驗教學體系，包括

基本認知實驗、系統建模實驗、系統分析實驗、控制系統設計實驗等，

在現有實驗設備基礎上設計進行工作臺位置控制實驗、磁懸浮控制實

驗、類比電路控制實驗等物理實驗的同時，開展電腦虛擬實驗。

《機械工程控制基礎實驗教程》共6 章，主要內容包括自動控制系統認知、自動控制系統的數

學描述、線性系統的時域分析方法、線性系統的頻域分析方法、線性系

統的根軌跡分析方法、控制器設計實驗等。

目錄

前言

第 1 章自動控制系統認知 1

1.1 緒論 1

1.2 簡易磁懸浮系統 2

1.2.1 磁懸浮系統的組成 2

1.2.2 磁懸浮系統的工作原理 2

1.3 直流電動機控制系統 3

1.3.1 直流電動機控制系統的組成 3

1.3.2 直流電動機控制系統的工作

原理 4

1.4 工作臺位置控制系統 4

1.4.1 工作臺位置控制系統的組成 4

1.4.2 工作臺位置控制系統的工作

原理 5

1.5 三自由度數控平臺 6

1.5.1 三自由度數控平臺的組成 6

1.5.2 三自由度數控平臺的工作

原理 6

1.6 球-杆系統 8

1.6.1 球-杆系統的組成 8

1.6.2 球-杆系統的工作原理 8

1.7 平面倒立擺系統 9

1.7.1 平面倒立擺系統的組成 9

1.7.2 平面倒立擺系統的工作

原理 10

1.8 虛擬實驗基礎MATLAB/

Simulink 10

1.8.1 MATLAB 的操作介面 10

1.8.2 MATLAB 的幫助介面 11

1.8.3 MATLAB 定義的常用特殊

變數 11

1.8.4 MATLAB 操作的注意事項 12

1.8.5 Simulink 簡介 12

1.9 思考題 14

第2 章自動控制系統的數學描述 15

2.1 緒論 15

2.2 工作臺位置控制系統建模 15

2.3 球-杆系統建模 18

2.3.1 控制物件的動力學方程 18

2.3.2 電氣模型 19

2.4 簡易磁懸浮系統建模 20

2.4.1 控制物件的動力學方程 20

2.4.2 系統的電磁力模型 21

2.4.3 電磁鐵中控制電壓和電流的

模型 22

2.4.4 功率放大器模型 23

2.4.5 系統平衡的邊界條件 23

2.4.6 系統方程的描述 23

2.5 虛擬實驗/機械工程控制系統的

數學模型 24

2.5.1 實驗目的 24

2.5.2 實驗內容 24

2.6 思考題 26

第3 章線性系統的時域分析方法 27

3.1 緒論 27

3.2 典型環節的時域回應 27

3.2.1 比例環節(P) 27

3.2.2 積分環節(I) 31

3.2.3 比例積分環節(PI) 33

3.2.4 比例微分環節(PD) 35

3.2.5 比例積分微分環節(PID) 38

3.2.6 典型一階系統(慣性環節) 41

3.2.7 典型二階系統(振盪環節) 43

3.2.8 典型三階系統 47

3.3 工作臺位置控制系統的時域

分析 51

3.3.1 工作臺位置控制系統的脈衝

回應 52

3.3.2 工作臺位置控制系統的階躍

回應 53

3.3.3 工作臺位置控制系統的斜坡

回應 54

3.4 虛擬實驗/機械工程控制系統的

時域分析 55

3.4.1 實驗目的 55

3.4.2 實驗內容 55

3.5 思考題 59

第4 章 線性系統的頻域分析方法 60

4.1 緒論 60

4.2 類比電路的Bode 圖測量實驗 60

4.3 工作臺位置控制系統的正弦

信號回應 65

4.4 虛擬實驗/機械工程控制系統的

頻域分析 68

4.4.1 實驗目的 68

4.4.2 實驗內容 68

4.5 思考題 71

第5 章 線性系統的根軌跡分析方法 73

5.1 緒論 73

5.2 線性系統的根軌跡分析 73

5.3 虛擬實驗/機械工程控制系統的

根軌跡分析 78

5.3.1 實驗目的 78

5.3.2 實驗內容 78

5.4 思考題 83

第6 章 控制器設計實驗 84

6.1 緒論 84

6.2 溫度閉環控制系統設計實驗 84

6.2.1 類比PID 溫度閉環控制

系統框圖 84

6.2.2 控制系統的類比電路圖 86

6.2.3 實驗步驟 87

6.3 球-杆系統的PID 控制實驗 90

6.3.1 緒論 90

6.3.2 球-杆系統的P 控制實驗 95

6.3.3 球-杆系統的PD 控制實驗 96

6.3.4 球-杆系統的PID 控制實驗 97

6.4 球-杆系統的根軌跡控制實驗 98

6.4.1 球-杆系統的根軌跡繪製 98

6.4.2 根軌跡校正 99

6.4.3 根軌跡校正實驗 102

6.5 工作臺位置的PID 控制實驗 103

6.6 虛擬實驗/機械工程控制系統的

設計與校正 104

6.6.1 實驗目的 104

6.6.2 實驗內容 104

6.7 思考題 119

參考文獻 120

附錄一 121

附錄二 122