控制工程专业实验案例及指导书

适用课程

1. 自动控制原理（经典控制理论）

适用案例：01、02、03、04、05、06、09、10

覆盖经典控制理论的全部核心内容，从基本环节建模到系统分析与综合设计：

教学章节	对应案例	用途
控制系统的数学模型	01 典型环节建模	建立传递函数、理解环节动态特性
线性系统的时域分析法	02 二阶系统性能、09 稳态误差	时域性能指标计算、型别与误差分析
线性系统的根轨迹法	05 根轨迹分析	根轨迹绘制、稳定增益范围确定
线性系统的频域分析法	04 频率特性分析	Bode/Nyquist图、稳定裕度计算
线性系统的校正方法	10 校正设计	超前/滞后校正设计、性能改善
系统稳定性分析	03 稳定性分析	极点分析、Routh判据应用
PID控制	06 PID控制器设计	参数整定、P/PI/PID效果对比

2. 现代控制理论

适用案例：07、08、11

覆盖状态空间方法与最优控制基础：

教学章节	对应案例	用途
状态空间模型	07 状态空间模型建立	状态变量选取、矩阵构造、状态响应
状态反馈与极点配置	08 极点配置设计	反馈增益计算、能控性判断、性能比较
最优控制基础	11 LQR最优控制	二次型性能指标、Riccati求解、权阵选择

3. 计算机控制系统 / 数字控制

适用案例：12

教学章节	对应案例	用途
连续系统离散化	12 离散控制系统分析	零阶保持法、采样周期影响、z域稳定性

4. 课程设计 / 综合实验

适用案例：全系列（01–12）

可作为自动控制原理课程设计或控制工程综合实验的选题素材，每个案例均包含完整的仿真代码、结果图和实验指导书，学生可在此基础上扩展参数分析范围或修改系统模型进行自主探究。

教学场景

场景一：课堂演示实验

教师在讲授对应理论章节时，在 MWORKS Syslab 中打开 Julia 脚本直接运行，实时展示曲线和数据分析结果，帮助学生在理论公式与工程直觉之间建立连接。

适用案例：全部 12 个案例
方式：教师机运行，投影展示；可现场修改参数直观对比

场景二：学生实验课

学生按照实验指导书步骤独立完成仿真，观测不同参数下的系统行为，记录结果并撰写实验报告。

适用案例：全部 12 个案例
方式：学生独立运行.jl脚本，修改参数、保存图形、填写实验数据表

场景三：课前预习 / 课后拓展

学生自行阅读实验指导书（Markdown或Word版本），运行脚本加深理解。实验指导书附有思考题和扩展实验，引导学生进一步探索。

适用案例：全部 12 个案例
方式：分发指导书，学生课后自主运行和分析

场景四：课程设计 / 综合性大作业

选取 2–4 个相关案例组合为基础，要求学生在此基础上对系统模型、参数范围或控制策略进行改进和综合设计。

推荐组合：
- 经典控制方向：01→02→06（建模→分析→PID控制）
- 状态空间方向：07→08→11（建模→极点配置→LQR）
- 频域方向：04→05→10（频率分析→根轨迹→校正）
- 全系统方向：01→04→06→12（连续→离散贯通）

技术环境

项目	说明
开发平台	MWORKS Syslab 2026a
编程语言	Julia
核心工具箱	TyControlSystems（传递函数、状态空间、阶跃响应、频率分析等）
绘图工具	TyPlot（Bode图、Nyquist图、根轨迹、响应曲线等）
数据处理	DelimitedFiles（CSV读写）
辅助库	LinearAlgebra（矩阵运算、特征值、Riccati方程）

文件结构

控制工程专业实验案例及指导书/
├── README.md                          ← 本文件
├── generate_guides.py                 ← Word/Markdown实验指导书生成脚本
├── 01_典型环节建模与动态响应分析/
│   ├── 典型环节建模与动态响应分析.jl          ← Julia仿真脚本
│   ├── 典型环节建模与动态响应分析_实验指导书.docx ← Word版实验指导书
│   ├── README.md                              ← 案例独立说明
│   ├── data/                                  ← 实验输出数据（CSV）
│   └── result/                                ← 实验输出图形（PNG）
├── 02_二阶系统动态性能分析/
│   └── ...（结构同上）
├── ...
└── 12_离散控制系统分析/
    └── ...（结构同上）

每个案例目录均自包含，可直接复制到学生实验环境独立运行。

运行方法

在 MWORKS Syslab 2026a 中打开目标案例目录
打开对应的 .jl Julia 脚本文件
点击运行，脚本将自动完成建模、仿真、绘图和数据导出
结果图形保存于 result/ 目录，数据表格保存于 data/ 目录

适用专业

自动化
电气工程及其自动化
机械工程 / 机械电子工程
机器人工程
测控技术与仪器
航空航天工程
及其他开设控制类课程的工科专业

特色说明

理论与实践一体化：每个案例均包含理论知识精要、完整的Julia仿真代码、自动生成的图形和数据表，以及规范的高校实验指导书
参数化可探索：所有案例的关键参数均设计为可调变量，学生可自行修改参数观察系统行为变化
双版本指导书：每个案例配备 Markdown（源码维护版）和 Word（正式教学版）两种格式
低门槛上手：无需学生掌握 Julia 语言细节，只需打开脚本运行即可获得仿真结果
渐进式难度：从基础建模（★）到综合设计（★★★），覆盖从大二专业基础课到大三专业核心课的教学需求