本書是工科類專業的實驗教學教材，配套有2021年江蘇省省級金課"城市追蹤場景下的自動控制虛擬仿真實驗”。該虛擬仿真課程給學生提供了一個隨時隨地實驗學習的平臺。本書涵蓋了經典控制理論與現代控制理論的重點和難點內容，強調理論與實際相結合，主要內容包括MATLAB軟件基礎、四旋翼無人機虛擬仿真實驗平臺、控制系統的時域分析、根軌跡分析與設計、線性系統的頻域分析法、線性系統的串聯校正、非線性控制系統分析、狀態空間分析及最優控制、無人機自動跟蹤虛擬仿真綜合實驗，配以MATLAB軟件的相關函數和代碼，提供控制理論相關問題求解的實驗方法。實驗內容具有典型性和代表性，在實驗設計上體現了實用性和先進性。 本書適用于自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器及智能科學與技術等電氣信息類專業，同時適合工科相關本科專業的學生自學，也可作為研究生的學習資料。
萬佑紅，教授，自動化專業優秀教學團隊帶頭人，從事控制領域課程教學二十余年，長期承擔《自動控制原理》、《MATLAB與仿真》、《智能控制》等課程的教學工作。近年來主要從事復雜系統的建模及其控制優化等領域的研究工作，先后參與并主持了國家自然基金項目、省自然基金項目和企業合作課題10余項，發表學術論文50余篇。
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Simulink仿真環境 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 控制系統的時域分析 43
3.1 控制系統的時域分析方法 43
3.1.1 典型輸入信號 43
3.1.2 控制系統的穩定性 44
3.1.3 控制系統的動態性能 45
3.1.4 控制系統的穩態性能 46
3.1.5 一階系統的時域分析 48
3.1.6 二階系統的時域分析 49
3.2 時域分析常用的MATLAB函數 52
3.2.1 傳遞函數的MATLAB表示方法 52
3.2.2 MATLAB時域分析方法 54
3.3 控制系統的時域分析仿真實驗 62
3.3.1 一階系統的時域分析仿真實驗 62
3.3.2 二階系統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、對稱性、連續性 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 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 線性系統根軌跡仿真實驗 78
第5章 線性系統的頻域分析法 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 典型環節的頻率特性 82
5.2 穩定判據和穩定裕度 83
5.2.1 Nyquist穩定判據 83
5.2.2 對數頻率穩定判據 83
5.2.3 穩定裕度 84
5.3 頻域分析法的MATLAB函數 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 線性系統的頻域分析實驗 87
5.4.1 二階系統的頻域分析實驗 87
5.4.2 虛擬仿真下頻域的控制原理 88
第6章 線性系統的串聯校正 90
6.1 控制系統的校正設計方法 90
6.1.1 串聯超前校正 90
6.1.2 串聯滯后校正 91
6.2 基于MATLAB的串聯校正設計 92
6.2.1 基于頻率法的串聯超前校正 92
6.2.2 基于頻率法的串聯滯后校正 93
6.3 線性系統串聯校正實驗 96
6.4 基于硬件的串聯校正設計 97
6.4.1 典型環節的模擬電路 97
6.4.2 連續系統串聯校正 99
第7章 非線性控制系統分析 101
7.1 非線性控制系統概述 101
7.1.1 控制系統中的典型非線性特性 101
7.1.2 非線性控制系統的特殊性 103
7.1.3 非線性控制系統的分析方法 104
7.2 描述函數法 104
7.2.1 描述函數的基本概念 105
7.2.2 典型非線性元件的描述函數 107
7.2.3 用描述函數法分析系統的穩定性 110
7.3 改善非線性系統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 非線性系統中的MATLAB函數 114
7.5 非線性控制系統分析實驗 116
7.5.1 典型非線性環節模擬 116
7.5.2 非線性控制系統分析 118
7.5.3 非線性系統的相平面法 120
第8章 狀態空間分析及最優控制 122
8.1 觀測器和極點配置 122
8.1.1 線性系統狀態空間描述 122
8.1.2 狀態空間基本概念 123
8.1.3 狀態空間表達式 124
8.1.4 狀態觀測器 127
8.1.5 極點配置 128
8.1.6 全維狀態觀測器設計 130
8.2 最優控制 132
8.2.1 最優控制的基本原理 132
8.2.2 最優控制的應用類型 134
8.2.3 最優控制的研究方法 135
8.2.4 線性二次型問題的最優控制 136
8.2.5 無限時間定常狀態調節器 137
8.2.6 最優閉環系統的漸近穩定性 138
8.3 狀態空間分析及最優控制的MATLAB函數 140
8.3.1 狀態空間分析的MATLAB函數 140
8.3.2 最優控制的MATLAB函數 141
8.4 現代控制理論實驗 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 最優控制實驗設計 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 數學建模 147
9.2.2 控制策略 148
9.3 虛擬仿真實驗內容 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
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