信号、系统与控制实验教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王凤如，王小扬 著

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• 实验教程
• 电路分析
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• Simulink
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• 信号处理
• 系统分析
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出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040145403

商品编码：29732079149

包装：平装

出版时间：2004-08-01

基本信息

书名:信号、系统与控制实验教程

定价：18.70元

售价：13.1元,便宜5.6元,折扣70

作者:王凤如,王小扬

出版社：高等教育出版社

出版日期：2004-08-01

ISBN：9787040145403

字数：380000

页码：246

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书是国家电工电子教学基地实验系列教材之一，是为高等院校工科电类专业编写的一本实验教材，主要目的是培养学生实验能力和创新能力。
上篇“信号与系统实验”分为三章，在内容安排上有一定的系统性。章是实验技术介绍，包括3个应用实验，第 2章是时域分析与信号分析内容的 6个实验，第 3章是系统分析与 MATLAB应用的11个实验。
　　下篇“自动控制原理”分为四章，第4章简要介绍控制理论的一般概念，第5章介绍控制理论实验的测试方法，第6章介绍常用实验仪器，第7章为控制理论的20个实验。 本实验内容适用各类本科、大专乃至研究生等开设“信号与系统”“自动控制原理”、“控制系统工程”和“现代控制理论”等相关课程的院校使用。可根据不同学时选择适合自己的实验内容，通过实验可大大提高学生的动手能力、分析问题的能力以及综合设计能力，使理论教学效果得到巩固与提高。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《信号、系统与控制实验教程》 内容简介 《信号、系统与控制实验教程》是一本以理论与实践相结合为核心，旨在为学习者提供系统、深入的信号处理、系统分析以及自动控制原理实践经验的实验指导书。本书特别注重将抽象的理论概念转化为可操作的实验项目，帮助读者建立清晰的物理直觉和工程思维。全书内容编排紧凑，从基础的信号特性分析，逐步过渡到复杂的系统建模与仿真，最终涵盖现代控制理论中的关键实验技术。 第一部分：信号分析与处理实验 本部分内容聚焦于信号的基本属性、时域与频域分析方法，以及各种信号处理技术在实际中的应用。 1. 信号的产生与基本特性实验 实验目的： 掌握不同类型信号（如正弦波、方波、三角波、指数信号、冲激信号）的产生方法，理解信号的幅度、频率、相位、周期、占空比等基本参数的含义与测量。 实验内容： 正弦信号的产生与分析： 利用函数发生器或软件工具生成不同频率、幅度和相位的正弦信号。使用示波器观测信号波形，测量其峰峰值、周期、频率，并分析相位差。 周期方波与三角波的生成： 学习如何通过电路或软件生成具有特定参数的周期方波和三角波，理解其与傅里叶级数的关系。 指数信号的特性： 产生并分析衰减或增长的指数信号，理解其时间常数的意义。 冲激信号的近似： 通过窄脉冲信号近似冲激信号，理解其在信号分析中的重要性。 信号的采样： 学习数字信号处理的基础——信号采样。通过实验理解采样定理，分析欠采样和过采样带来的影响。 实验仪器与软件： 函数发生器、示波器、数字万用表、信号发生器软件、示波器软件。 2. 信号的时域分析实验 实验目的： 掌握卷积、相关等时域运算，理解线性时不变（LTI）系统的输入-输出关系，并进行系统响应分析。 实验内容： 卷积运算的实现与验证： 通过搭建简单RC电路或使用软件仿真，输入不同信号，观察并计算系统的阶跃响应、脉冲响应。理解卷积积分在描述LTI系统输出中的作用。 系统响应分析： 输入冲激信号，观察并测量系统的零输入响应（自由响应）和零状态响应（强迫响应），理解其构成。 相关函数的计算与应用： 计算不同信号的自相关和互相关函数，理解其在信号检测、模式识别中的应用，如信号延迟估计。 傅里叶级数与傅里叶变换的实验验证： 对于周期信号，通过实验观察其频谱特性，理解傅里叶级数的分解；对于非周期信号，理解傅里叶变换如何揭示信号的频域内容。 实验仪器与软件： 函数发生器、示波器、数据采集卡、MATLAB/Simulink（用于仿真和信号生成）、Python (NumPy, SciPy)。 3. 信号的频域分析实验 实验目的： 深入理解傅里叶变换、拉普拉斯变换在信号分析中的应用，掌握频谱分析技术。 实验内容： 频谱分析仪的使用： 学习使用频谱分析仪测量信号的频谱，识别信号的主要频率成分。 离散傅里叶变换（DFT）与快速傅里叶变换（FFT）的应用： 使用FFT算法对采集到的数字信号进行频谱分析，观察信号的频率成分、带宽、谐波等。 滤波器特性测量： 构建或仿真低通、高通、带通、带阻滤波器，使用频谱分析仪测量其频率响应（增益和相位），理解滤波器的截止频率、中心频率、带宽等参数。 AM/FM调幅/调频信号的频谱分析： 产生和分析调幅（AM）和调频（FM）信号的频谱，理解调制对信号频谱的影响。 信号的功率谱密度（PSD）估计： 学习计算和分析信号的功率谱密度，理解其在噪声分析和通信系统设计中的重要性。 实验仪器与软件： 频谱分析仪、信号发生器、示波器、数据采集卡、MATLAB/Simulink、Python。 4. 数字信号处理（DSP）实验 实验目的： 掌握数字滤波器的设计与实现，理解数字信号处理的常用算法。 实验内容： IIR与FIR滤波器设计： 使用MATLAB的Filter Designer工具箱或Python库，设计IIR（无限脉冲响应）和FIR（有限脉冲响应）滤波器。 数字滤波器实现与性能评估： 将设计的数字滤波器在DSP芯片、微控制器或计算机上实现，输入不同信号，通过观察输出信号或测量滤波器指标（如通带纹波、阻带衰减）来评估其性能。 抽样率转换（插值与抽取）： 实验实现信号的插值（提高抽样率）和抽取（降低抽样率）操作，理解其在多速率信号处理中的作用。 自适应滤波器： 学习自适应滤波器的基本原理（如LMS算法），通过仿真或实际搭建，演示其在噪声消除、回声消除等方面的应用。 实验仪器与软件： DSP开发板（如TI C6000系列、ADSP系列）、微控制器开发板、MATLAB/Simulink、Python。 第二部分：系统分析与建模实验 本部分内容旨在帮助学习者理解不同类型系统的数学模型，掌握系统分析与仿真的方法。 5. 动态系统建模实验 实验目的： 学习建立物理系统的数学模型，理解模型的类型（微分方程、传递函数、状态空间方程）。 实验内容： 机械系统建模： 建立单自由度、多自由度弹簧-阻尼-质量系统的数学模型。通过实验测量实际系统的参数（如质量、阻尼系数、弹簧系数），并与模型进行对比。 电路系统建模： 建立RLC电路、二端口网络等电路系统的数学模型，推导其电压-电流关系。 机电一体化系统建模： 结合直流电机、伺服电机等，建立简单的机电一体化系统的模型，考虑电气部分和机械部分的耦合。 传递函数与零、极点分析： 从微分方程推导出系统的传递函数，分析传递函数的零、极点位置与系统动态响应的关系。 状态空间方程建立与分析： 学习将系统模型转换为状态空间方程，理解状态变量的物理意义。 实验仪器与软件： 机械振动实验台、RLC电路实验模块、直流电机/伺服电机实验平台、数据采集系统、MATLAB/Simulink。 6. 系统仿真与稳定性分析实验 实验目的： 掌握使用仿真软件建立系统模型并进行仿真分析，理解系统稳定性的判据。 实验内容： Simulink模型搭建： 使用Simulink搭建各种动态系统的仿真模型，包括连续时间系统和离散时间系统。 瞬态响应分析： 输入阶跃信号、脉冲信号，观察和测量仿真系统的响应曲线（上升时间、过冲、沉降时间），并与理论分析结果进行对比。 稳态分析： 分析系统在不同输入信号下的稳态行为，如稳态误差。 稳定性判据实验验证： Routh-Hurwitz判据： 通过改变系统参数，观察仿真结果，验证Routh-Hurwitz判据对系统稳定性的预测。 根轨迹分析： 绘制系统的根轨迹图，分析系统参数变化对闭环系统极点位置的影响，从而判断稳定性。 Nyquist稳定判据： 绘制系统的Nyquist图，理解其与系统稳定性的关系。 Bode图分析： 绘制系统的Bode图，分析幅频和相频特性，理解增益裕度和相位裕度与系统稳定性的关联。 实验仪器与软件： MATLAB/Simulink。 7. 系统辨识实验 实验目的： 学习从实验数据中估计系统的模型参数，获得实际系统的数学模型。 实验内容： 数据采集： 从实际的物理系统（如电机、加热炉、机械臂）中采集输入-输出数据。 模型选择： 根据系统特性，选择合适的模型结构（如ARX、ARMAX、OE、BJ模型）。 参数估计： 使用MATLAB的System Identification Toolbox或Python库，对采集到的数据进行模型参数估计。 模型验证： 使用独立的测试数据对辨识出的模型进行验证，评估模型的拟合优度和预测能力。 实际应用： 将辨识出的模型用于后续的控制器设计。 实验仪器与软件： 各种实验平台（如直流电机、伺服电机、加热炉、机器人等）、数据采集卡、MATLAB/Simulink（System Identification Toolbox）。 第三部分：自动控制原理实验 本部分内容侧重于控制器设计、实现与系统性能的调节，是信号与系统理论在工程应用中的核心体现。 8. PID控制器设计与实现 实验目的： 掌握PID（比例-积分-微分）控制器的原理，学习PID参数的整定方法，并实现PID控制器。 实验内容： PID控制器原理理解： 通过仿真和实验，理解P、I、D各环节对系统响应的影响。 PID参数整定方法： 手动整定法： 尝试不同的P、I、D参数组合，观察系统响应，手动调整参数以达到期望性能。 临界比例法（Ziegler-Nichols方法）： 通过寻找系统的临界增益和临界周期，计算出初始的PID参数。 软件辅助整定： 使用MATLAB/Simulink中的自动调参工具，或利用系统辨识结果进行参数优化。 PID控制器实现： 数字PID控制器： 在微控制器或DSP上实现数字PID控制器算法。 模拟PID控制器： 使用运算放大器等模拟电路搭建模拟PID控制器。 应用实例： 在直流电机速度控制、温度控制、位置控制等系统中实现PID控制器，并评估其控制性能（如跟踪精度、稳定性、抗干扰能力）。 实验仪器与软件： 直流电机/伺服电机实验台、温度控制实验台、PLC/微控制器开发板、MATLAB/Simulink。 9. 状态反馈控制与观测器设计 实验目的： 学习状态反馈控制的基本原理，理解状态观测器的作用，并进行实际设计与实现。 实验内容： 极点配置： 基于系统状态空间模型，通过设计状态反馈增益矩阵，将闭环系统的极点配置到期望的位置，从而达到期望的动态性能。 全状态反馈控制器实现： 在仿真环境中实现全状态反馈控制器。 状态观测器设计： 对于无法测量所有状态变量的系统，设计状态观测器（如Luenberger观测器）来估计不可测状态。 分离定理应用： 将状态反馈控制器与状态观测器相结合，构成闭环反馈系统。 实验验证： 在实际的实验平台上（如双足机器人、倒立摆等），实现状态反馈控制和状态观测器，验证其控制效果。 实验仪器与软件： 机器人仿真平台、倒立摆实验台、MATLAB/Simulink。 10. 现代控制理论与鲁棒控制实验 实验目的： 了解现代控制理论的概念，初步接触鲁棒控制的理念，并进行相关仿真实验。 实验内容： 最优控制（LQR）： 学习线性二次型调节器（LQR）的设计方法，通过优化代价函数来获得最优的反馈增益。 模型预测控制（MPC）基础： 了解MPC的基本思想，通过仿真演示其在多变量系统控制中的应用。 鲁棒性分析： 学习评估系统在模型不确定性或外部扰动下的性能。 鲁棒控制器仿真： 接触一些基础的鲁棒控制器设计方法（如H-infinity控制的初步概念），并通过仿真验证其在处理系统不确定性方面的优势。 实验仪器与软件： MATLAB/Simulink。 总结 《信号、系统与控制实验教程》通过一系列精心设计的实验项目，旨在让学习者在动手实践中深刻理解信号、系统和控制理论的核心概念。本书鼓励学生主动探索，通过实验观察和数据分析来验证理论，培养独立解决工程问题的能力。无论是在校学生还是在职工程师，本书都能为他们在信号处理、系统建模与分析以及自动控制领域打下坚实的基础，并为进一步深入学习和研究提供宝贵的实践经验。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示质量达到了专业出版物的顶级水准，这对于一本实验教程而言至关重要。我之前用过几本同类的教材，图例模糊不清，公式标注混乱，常常需要反复对照文字才能理解图示的含义，极大地影响了学习效率。但这本书完全没有这个问题，无论是示波器波形图、系统框图，还是实验装置的实物照片，都清晰锐利，关键参数和连接点标识明确。更值得称赞的是，它的理论回顾部分做到了“点到为止”的精妙平衡。它不会像纯理论教材那样长篇大论地铺陈数学证明，而是精准地提取出实验必需的核心概念和公式，确保读者在动手之前有足够的理论支撑，但又不会被冗余的数学推导所困扰。例如，在讲解李雅普诺夫稳定性分析时，它直接给出了如何根据系统的状态方程构造李雅普诺夫函数并进行验证的清晰步骤，完美地服务于实验目的。这种对学习体验和可读性的极致追求，使得这本书成为我案头上最常翻阅的实验参考资料，它的每一个实验环节都设计得深思熟虑，充满了教学的智慧。

评分☆☆☆☆☆

我是在校大三学生，参加学校的电子设计竞赛时，我们团队在“信号处理”这一环节遇到了瓶颈。我们的理论知识很强，但一涉及到将算法部署到FPGA或DSP板卡上时，就束手无策。这本书的章节结构安排得非常人性化，它不是简单地将理论与实验强行拼凑，而是逻辑性地引导读者从理论构建到算法的实现路径。例如，在讲解如何用离散卷积实现滤波时，它不仅仅展示了卷积公式，还紧接着提供了用C语言或MATLAB/Simulink实现该算法的伪代码和关键步骤说明。这使得我们能够快速地将数学模型转化为可执行的代码块，极大地缩短了我们的开发周期。此外，书中对于错误调试的指导也非常到位，它列出了几种常见的实验故障现象及其可能的原因，比如ADC溢出、信号漂移等，并给出了相应的排查思路。这对于我们这些缺乏经验的初学者来说，无疑是最好的“避坑指南”，让我们在调试中少走了很多弯路，最终成功地将我们的创新算法稳定地运行在了目标硬件平台上。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我这种理论基础扎实但实操经验为零的工科生量身定制的！我之前在课本上啃那些复杂的傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换，感觉像是背诵天书，公式推导过程虽然严谨，但始终缺乏一个直观的、动手的环节来真正理解它们是如何工作的。这本书的出现，就像是给我打开了一扇通往实践世界的大门。它不是简单地罗列实验步骤，而是非常巧妙地将抽象的数学概念与具体的工程应用场景联系起来。比如，在介绍离散时间信号处理时，它没有停留在矩阵运算层面，而是引导我们去搭建一个数字滤波器，亲手观察输入信号经过滤波器后，高频噪声是如何被有效抑制的。这种“眼见为实”的体验，比单纯看书上的图示要深刻百倍。我特别欣赏它在实验设计上的循序渐进，从基础的系统辨识，到复杂的反馈控制设计，每一步都有清晰的理论背景回顾和详细的操作指导。这让我感觉自己不是在被动地完成任务，而是在主动地探索和验证那些课本上的知识点。对我来说，这本书的价值不仅在于教会我如何操作实验设备，更在于它重塑了我对“信号”和“系统”的理解，真正做到了理论指导实践，实践反哺理论的良性循环。

评分☆☆☆☆☆

我是一位在职工程师，目前负责工业自动化系统的维护和优化工作。坦白说，我手头上的许多项目涉及到对老旧控制系统的升级改造，但现有的技术文档往往过于陈旧或晦涩难懂。我急需一本能够快速衔接理论与现代工业现场实际问题的参考书。这本书恰好填补了我的这个需求空白。它对于PID控制器的参数整定部分，提供了不同于传统教科书的、更贴近实际工业现场干扰和非线性的处理方法，这一点非常实用。我尤其对其中关于“鲁棒性设计”的实验模块印象深刻，它没有停留在理想状态下的分析，而是引入了各种噪声模型和负载变化进行测试，这正是我们在现场最常遇到的难题。书中的图例和实验流程图清晰明了，即便是复杂的多变量系统控制，也能被分解成易于理解的小模块进行验证。我用它指导团队成员进行了一次关于伺服电机调速的实验，效果立竿见影。它不仅仅是工具书，更像是一位经验丰富的导师，用扎实的工程思维指导我们如何在高风险、高精度的工业环境中进行设计和调试。这对于提升团队的工程实践能力，起到了关键性的推动作用。

评分☆☆☆☆☆

作为一名研究生，我经常需要为自己的研究课题寻找合适的实验平台和验证方法。很多实验手册只是停留在软件仿真层面，对于实际硬件平台的交互描述过于简单，导致仿真结果和实际硬件运行结果之间存在巨大的鸿沟。这本书在这一点上做得非常出色。它详细描述了如何使用常用的数据采集卡和特定的硬件接口来搭建实验环境，并且对采集到的模拟信号如何进行数字化处理、以及如何将数字控制信号转化为实际的执行器输入，给出了非常细致的步骤和注意事项。我最欣赏的是它对“采集噪声”和“时延效应”的处理章节。在实时系统中，这些因素往往是影响系统性能的罪魁祸首，但教科书很少深入探讨如何通过实验手段来量化和补偿它们。这本书通过具体的实验案例，教会我如何精确测量系统的开环传递函数，并在此基础上设计出能够有效抑制这些不利因素的数字控制器。这种对实验细节的深度挖掘，极大地提高了我的科研严谨性和实验的可重复性。