本书是工科类专业的实验教学教材，配套有2021年江苏省省级金课"城市追踪场景下的自动控制虚拟仿真实验”。该虚拟仿真课程给学生提供了一个随时随地实验学习的平台。本书涵盖了经典控制理论与现代控制理论的重点和难点内容，强调理论与实际相结合，主要内容包括MATLAB软件基础、四旋翼无人机虚拟仿真实验平台、控制系统的时域分析、根轨迹分析与设计、线性系统的频域分析法、线性系统的串联校正、非线性控制系统分析、状态空间分析及最优控制、无人机自动跟踪虚拟仿真综合实验，配以MATLAB软件的相关函数和代码，提供控制理论相关问题求解的实验方法。实验内容具有典型性和代表性，在实验设计上体现了实用性和先进性。 本书适用于自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器及智能科学与技术等电气信息类专业，同时适合工科相关本科专业的学生自学，也可作为研究生的学习资料。

万佑红，教授，自动化专业优秀教学团队带头人，从事控制领域课程教学二十余年，长期承担《自动控制原理》、《MATLAB与仿真》、《智能控制》等课程的教学工作。近年来主要从事复杂系统的建模及其控制优化等领域的研究工作，先后参与并主持了国家自然基金项目、省自然基金项目和企业合作课题10余项，发表学术论文50余篇。

第1章 MATLAB软件基础 1
1.1　MATLAB基本介绍 1
1.1.1 MATLAB软件的安装与主要工作界面 1
1.1.2 MATLAB的变量 2
1.1.3 MATLAB的基本运算 3
1.1.4 如何在MATLAB 中获得帮助 4
1.2　MATLAB基础知识 4
1.2.1 矩阵的创建与寻访 5
1.2.2 多项式的表达与计算 7
1.2.3 常用控制流与M文件 9
1.2.4 基本绘图方法 14
1.3　控制系统Simulink仿真环境 18
1.3.1 Simulink简介 18
1.3.2 Simulink的基本模块 19
1.3.3 Simulink的基本操作 22
1.3.4 Simulink的建模示例 24
第2章 四旋翼无人机虚拟仿真实验平台 27
2.1　四旋翼无人机机身结构与飞行原理 27
2.2　四旋翼无人机动力学方程 29
2.2.1 坐标描述及其转换关系 29
2.2.2 动力学方程的建立 29
2.2.3 姿态角模型简化 33
2.2.4 位置模型简化 34
2.3　虚拟仿真实验平台介绍 35
2.4　四旋翼无人机虚拟仿真认知实验 36
第3章 控制系统的时域分析 43
3.1　控制系统的时域分析方法 43
3.1.1 典型输入信号 43
3.1.2 控制系统的稳定性 44
3.1.3 控制系统的动态性能 45
3.1.4 控制系统的稳态性能 46
3.1.5 一阶系统的时域分析 48
3.1.6 二阶系统的时域分析 49
3.2　时域分析常用的MATLAB函数 52
3.2.1 传递函数的MATLAB表示方法 52
3.2.2 MATLAB时域分析方法 54
3.3　控制系统的时域分析仿真实验 62
3.3.1 一阶系统的时域分析仿真实验 62
3.3.2 二阶系统的时域分析仿真实验 63
3.3.3 四旋翼无人机建模实验 64
3.3.4 虚拟仿真下的时域分析 68
第4章 根轨迹分析与设计 70
4.1　绘制根轨迹的基本法则 70
4.1.1 根轨迹的分支数、对称性、连续性 70
4.1.2 根轨迹的起点与终点 70
4.1.3 根轨迹的渐近线 70
4.1.4 实轴上的根轨迹 71
4.1.5 根轨迹的分离点与分离角 71
4.1.6 根轨迹的起始角与终止角 71
4.1.7 根轨迹与虚轴的交点 71
4.1.8 根之和 72
4.2　根轨迹绘制常用函数 72
4.3　阶跃响应的根轨迹分析 74
4.3.1 阻尼比线和自然频率栅格线绘制 74
4.3.2 根轨迹分析与设计工具rltool 75
4.4 线性系统根轨迹仿真实验 78
第5章 线性系统的频域分析法 80
5.1　频率特性 80
5.1.1 频率特性的基本概念 80
5.1.2 频率特性的几何表示法 81
5.1.3 典型环节的频率特性 82
5.2 稳定判据和稳定裕度 83
5.2.1 Nyquist稳定判据 83
5.2.2 对数频率稳定判据 83
5.2.3 稳定裕度 84
5.3 频域分析法的MATLAB函数 84
5.3.1 频率特性绘制命令 85
5.3.2 幅值裕量和相位裕量 87
5.4 线性系统的频域分析实验 87
5.4.1 二阶系统的频域分析实验 87
5.4.2 虚拟仿真下频域的控制原理 88
第6章 线性系统的串联校正 90
6.1　控制系统的校正设计方法 90
6.1.1 串联超前校正 90
6.1.2 串联滞后校正 91
6.2 基于MATLAB的串联校正设计 92
6.2.1 基于频率法的串联超前校正 92
6.2.2 基于频率法的串联滞后校正 93
6.3 线性系统串联校正实验 96
6.4　基于硬件的串联校正设计 97
6.4.1 典型环节的模拟电路 97
6.4.2 连续系统串联校正 99
第7章 非线性控制系统分析 101
7.1　非线性控制系统概述 101
7.1.1 控制系统中的典型非线性特性 101
7.1.2 非线性控制系统的特殊性 103
7.1.3 非线性控制系统的分析方法 104
7.2　描述函数法 104
7.2.1 描述函数的基本概念 105
7.2.2 典型非线性元件的描述函数 107
7.2.3 用描述函数法分析系统的稳定性 110
7.3　改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用 112
7.3.1 改变线性部分的参数或针对线性部分进行校正 112
7.3.2 改变非线性特性 113
7.3.3 非线性特性的利用 113
7.4　非线性系统中的MATLAB函数 114
7.5　非线性控制系统分析实验 116
7.5.1 典型非线性环节模拟 116
7.5.2 非线性控制系统分析 118
7.5.3 非线性系统的相平面法 120
第8章 状态空间分析及最优控制 122
8.1　观测器和极点配置 122
8.1.1 线性系统状态空间描述 122
8.1.2 状态空间基本概念 123
8.1.3 状态空间表达式 124
8.1.4 状态观测器 127
8.1.5 极点配置 128
8.1.6 全维状态观测器设计 130
8.2　最优控制 132
8.2.1 最优控制的基本原理 132
8.2.2 最优控制的应用类型 134
8.2.3 最优控制的研究方法 135
8.2.4 线性二次型问题的最优控制 136
8.2.5 无限时间定常状态调节器 137
8.2.6 最优闭环系统的渐近稳定性 138
8.3　状态空间分析及最优控制的MATLAB函数 140
8.3.1 状态空间分析的MATLAB函数 140
8.3.2 最优控制的MATLAB函数 141
8.4　现代控制理论实验 142
8.4.1 观测器和极点配置实验设计 142
8.4.2 四旋翼无人机观测器和极点配置虚拟仿真实验 143
8.4.3 最优控制实验设计 144
第9章 无人机自动跟踪虚拟仿真综合实验 146
9.1　虚拟仿真实验目的 146
9.2　虚拟仿真实验原理 147
9.2.1 数学建模 147
9.2.2 控制策略 148
9.3　虚拟仿真实验内容 149
9.4　虚拟仿真实验步骤 150
9.4.1 学生交互性操作步骤（共11步） 150
9.4.2 交互性步骤详细说明 152
9.5　虚拟仿真实验记录 167
9.6　虚拟仿真实验拓展思考 168
参考文献