基本信息
書名:信號、係統與控製實驗教程
定價：18.70元
售價：13.1元,便宜5.6元,摺扣70
作者:王鳳如,王小揚
齣版社：高等教育齣版社
齣版日期：2004-08-01
ISBN：9787040145403
字數：380000
頁碼：246
版次：1
裝幀：平裝
開本：16開
商品重量：0.4kg
編輯推薦
內容提要
本書是國傢電工電子教學基地實驗係列教材之一，是為高等院校工科電類專業編寫的一本實驗教材，主要目的是培養學生實驗能力和創新能力。
上篇“信號與係統實驗”分為三章，在內容安排上有一定的係統性。章是實驗技術介紹，包括3個應用實驗，第 2章是時域分析與信號分析內容的 6個實驗，第 3章是係統分析與 MATLAB應用的11個實驗。
下篇“自動控製原理”分為四章，第4章簡要介紹控製理論的一般概念，第5章介紹控製理論實驗的測試方法，第6章介紹常用實驗儀器，第7章為控製理論的20個實驗。 本實驗內容適用各類本科、大專乃至研究生等開設“信號與係統”“自動控製原理”、“控製係統工程”和“現代控製理論”等相關課程的院校使用。可根據不同學時選擇適閤自己的實驗內容，通過實驗可大大提高學生的動手能力、分析問題的能力以及綜閤設計能力，使理論教學效果得到鞏固與提高。
目錄
作者介紹
文摘
序言
《信號、係統與控製實驗教程》 內容簡介 《信號、係統與控製實驗教程》是一本以理論與實踐相結閤為核心，旨在為學習者提供係統、深入的信號處理、係統分析以及自動控製原理實踐經驗的實驗指導書。本書特彆注重將抽象的理論概念轉化為可操作的實驗項目，幫助讀者建立清晰的物理直覺和工程思維。全書內容編排緊湊，從基礎的信號特性分析，逐步過渡到復雜的係統建模與仿真，最終涵蓋現代控製理論中的關鍵實驗技術。 第一部分：信號分析與處理實驗 本部分內容聚焦於信號的基本屬性、時域與頻域分析方法，以及各種信號處理技術在實際中的應用。 1. 信號的産生與基本特性實驗 實驗目的： 掌握不同類型信號（如正弦波、方波、三角波、指數信號、衝激信號）的産生方法，理解信號的幅度、頻率、相位、周期、占空比等基本參數的含義與測量。 實驗內容： 正弦信號的産生與分析： 利用函數發生器或軟件工具生成不同頻率、幅度和相位的正弦信號。使用示波器觀測信號波形，測量其峰峰值、周期、頻率，並分析相位差。 周期方波與三角波的生成： 學習如何通過電路或軟件生成具有特定參數的周期方波和三角波，理解其與傅裏葉級數的關係。 指數信號的特性： 産生並分析衰減或增長的指數信號，理解其時間常數的意義。 衝激信號的近似： 通過窄脈衝信號近似衝激信號，理解其在信號分析中的重要性。 信號的采樣： 學習數字信號處理的基礎——信號采樣。通過實驗理解采樣定理，分析欠采樣和過采樣帶來的影響。 實驗儀器與軟件： 函數發生器、示波器、數字萬用錶、信號發生器軟件、示波器軟件。 2. 信號的時域分析實驗 實驗目的： 掌握捲積、相關等時域運算，理解綫性時不變（LTI）係統的輸入-輸齣關係，並進行係統響應分析。 實驗內容： 捲積運算的實現與驗證： 通過搭建簡單RC電路或使用軟件仿真，輸入不同信號，觀察並計算係統的階躍響應、脈衝響應。理解捲積積分在描述LTI係統輸齣中的作用。 係統響應分析： 輸入衝激信號，觀察並測量係統的零輸入響應（自由響應）和零狀態響應（強迫響應），理解其構成。 相關函數的計算與應用： 計算不同信號的自相關和互相關函數，理解其在信號檢測、模式識彆中的應用，如信號延遲估計。 傅裏葉級數與傅裏葉變換的實驗驗證： 對於周期信號，通過實驗觀察其頻譜特性，理解傅裏葉級數的分解；對於非周期信號，理解傅裏葉變換如何揭示信號的頻域內容。 實驗儀器與軟件： 函數發生器、示波器、數據采集卡、MATLAB/Simulink（用於仿真和信號生成）、Python (NumPy, SciPy)。 3. 信號的頻域分析實驗 實驗目的： 深入理解傅裏葉變換、拉普拉斯變換在信號分析中的應用，掌握頻譜分析技術。 實驗內容： 頻譜分析儀的使用： 學習使用頻譜分析儀測量信號的頻譜，識彆信號的主要頻率成分。 離散傅裏葉變換（DFT）與快速傅裏葉變換（FFT）的應用： 使用FFT算法對采集到的數字信號進行頻譜分析，觀察信號的頻率成分、帶寬、諧波等。 濾波器特性測量： 構建或仿真低通、高通、帶通、帶阻濾波器，使用頻譜分析儀測量其頻率響應（增益和相位），理解濾波器的截止頻率、中心頻率、帶寬等參數。 AM/FM調幅/調頻信號的頻譜分析： 産生和分析調幅（AM）和調頻（FM）信號的頻譜，理解調製對信號頻譜的影響。 信號的功率譜密度（PSD）估計： 學習計算和分析信號的功率譜密度，理解其在噪聲分析和通信係統設計中的重要性。 實驗儀器與軟件： 頻譜分析儀、信號發生器、示波器、數據采集卡、MATLAB/Simulink、Python。 4. 數字信號處理（DSP）實驗 實驗目的： 掌握數字濾波器的設計與實現，理解數字信號處理的常用算法。 實驗內容： IIR與FIR濾波器設計： 使用MATLAB的Filter Designer工具箱或Python庫，設計IIR（無限脈衝響應）和FIR（有限脈衝響應）濾波器。 數字濾波器實現與性能評估： 將設計的數字濾波器在DSP芯片、微控製器或計算機上實現，輸入不同信號，通過觀察輸齣信號或測量濾波器指標（如通帶紋波、阻帶衰減）來評估其性能。 抽樣率轉換（插值與抽取）： 實驗實現信號的插值（提高抽樣率）和抽取（降低抽樣率）操作，理解其在多速率信號處理中的作用。 自適應濾波器： 學習自適應濾波器的基本原理（如LMS算法），通過仿真或實際搭建，演示其在噪聲消除、迴聲消除等方麵的應用。 實驗儀器與軟件： DSP開發闆（如TI C6000係列、ADSP係列）、微控製器開發闆、MATLAB/Simulink、Python。 第二部分：係統分析與建模實驗 本部分內容旨在幫助學習者理解不同類型係統的數學模型，掌握係統分析與仿真的方法。 5. 動態係統建模實驗 實驗目的： 學習建立物理係統的數學模型，理解模型的類型（微分方程、傳遞函數、狀態空間方程）。 實驗內容： 機械係統建模： 建立單自由度、多自由度彈簧-阻尼-質量係統的數學模型。通過實驗測量實際係統的參數（如質量、阻尼係數、彈簧係數），並與模型進行對比。 電路係統建模： 建立RLC電路、二端口網絡等電路係統的數學模型，推導其電壓-電流關係。 機電一體化係統建模： 結閤直流電機、伺服電機等，建立簡單的機電一體化係統的模型，考慮電氣部分和機械部分的耦閤。 傳遞函數與零、極點分析： 從微分方程推導齣係統的傳遞函數，分析傳遞函數的零、極點位置與係統動態響應的關係。 狀態空間方程建立與分析： 學習將係統模型轉換為狀態空間方程，理解狀態變量的物理意義。 實驗儀器與軟件： 機械振動實驗颱、RLC電路實驗模塊、直流電機/伺服電機實驗平颱、數據采集係統、MATLAB/Simulink。 6. 係統仿真與穩定性分析實驗 實驗目的： 掌握使用仿真軟件建立係統模型並進行仿真分析，理解係統穩定性的判據。 實驗內容： Simulink模型搭建： 使用Simulink搭建各種動態係統的仿真模型，包括連續時間係統和離散時間係統。 瞬態響應分析： 輸入階躍信號、脈衝信號，觀察和測量仿真係統的響應麯綫（上升時間、過衝、沉降時間），並與理論分析結果進行對比。 穩態分析： 分析係統在不同輸入信號下的穩態行為，如穩態誤差。 穩定性判據實驗驗證： Routh-Hurwitz判據： 通過改變係統參數，觀察仿真結果，驗證Routh-Hurwitz判據對係統穩定性的預測。 根軌跡分析： 繪製係統的根軌跡圖，分析係統參數變化對閉環係統極點位置的影響，從而判斷穩定性。 Nyquist穩定判據： 繪製係統的Nyquist圖，理解其與係統穩定性的關係。 Bode圖分析： 繪製係統的Bode圖，分析幅頻和相頻特性，理解增益裕度和相位裕度與係統穩定性的關聯。 實驗儀器與軟件： MATLAB/Simulink。 7. 係統辨識實驗 實驗目的： 學習從實驗數據中估計係統的模型參數，獲得實際係統的數學模型。 實驗內容： 數據采集： 從實際的物理係統（如電機、加熱爐、機械臂）中采集輸入-輸齣數據。 模型選擇： 根據係統特性，選擇閤適的模型結構（如ARX、ARMAX、OE、BJ模型）。 參數估計： 使用MATLAB的System Identification Toolbox或Python庫，對采集到的數據進行模型參數估計。 模型驗證： 使用獨立的測試數據對辨識齣的模型進行驗證，評估模型的擬閤優度和預測能力。 實際應用： 將辨識齣的模型用於後續的控製器設計。 實驗儀器與軟件： 各種實驗平颱（如直流電機、伺服電機、加熱爐、機器人等）、數據采集卡、MATLAB/Simulink（System Identification Toolbox）。 第三部分：自動控製原理實驗 本部分內容側重於控製器設計、實現與係統性能的調節，是信號與係統理論在工程應用中的核心體現。 8. PID控製器設計與實現 實驗目的： 掌握PID（比例-積分-微分）控製器的原理，學習PID參數的整定方法，並實現PID控製器。 實驗內容： PID控製器原理理解： 通過仿真和實驗，理解P、I、D各環節對係統響應的影響。 PID參數整定方法： 手動整定法： 嘗試不同的P、I、D參數組閤，觀察係統響應，手動調整參數以達到期望性能。 臨界比例法（Ziegler-Nichols方法）： 通過尋找係統的臨界增益和臨界周期，計算齣初始的PID參數。 軟件輔助整定： 使用MATLAB/Simulink中的自動調參工具，或利用係統辨識結果進行參數優化。 PID控製器實現： 數字PID控製器： 在微控製器或DSP上實現數字PID控製器算法。 模擬PID控製器： 使用運算放大器等模擬電路搭建模擬PID控製器。 應用實例： 在直流電機速度控製、溫度控製、位置控製等係統中實現PID控製器，並評估其控製性能（如跟蹤精度、穩定性、抗乾擾能力）。 實驗儀器與軟件： 直流電機/伺服電機實驗颱、溫度控製實驗颱、PLC/微控製器開發闆、MATLAB/Simulink。 9. 狀態反饋控製與觀測器設計 實驗目的： 學習狀態反饋控製的基本原理，理解狀態觀測器的作用，並進行實際設計與實現。 實驗內容： 極點配置： 基於係統狀態空間模型，通過設計狀態反饋增益矩陣，將閉環係統的極點配置到期望的位置，從而達到期望的動態性能。 全狀態反饋控製器實現： 在仿真環境中實現全狀態反饋控製器。 狀態觀測器設計： 對於無法測量所有狀態變量的係統，設計狀態觀測器（如Luenberger觀測器）來估計不可測狀態。 分離定理應用： 將狀態反饋控製器與狀態觀測器相結閤，構成閉環反饋係統。 實驗驗證： 在實際的實驗平颱上（如雙足機器人、倒立擺等），實現狀態反饋控製和狀態觀測器，驗證其控製效果。 實驗儀器與軟件： 機器人仿真平颱、倒立擺實驗颱、MATLAB/Simulink。 10. 現代控製理論與魯棒控製實驗 實驗目的： 瞭解現代控製理論的概念，初步接觸魯棒控製的理念，並進行相關仿真實驗。 實驗內容： 最優控製（LQR）： 學習綫性二次型調節器（LQR）的設計方法，通過優化代價函數來獲得最優的反饋增益。 模型預測控製（MPC）基礎： 瞭解MPC的基本思想，通過仿真演示其在多變量係統控製中的應用。 魯棒性分析： 學習評估係統在模型不確定性或外部擾動下的性能。 魯棒控製器仿真： 接觸一些基礎的魯棒控製器設計方法（如H-infinity控製的初步概念），並通過仿真驗證其在處理係統不確定性方麵的優勢。 實驗儀器與軟件： MATLAB/Simulink。 總結 《信號、係統與控製實驗教程》通過一係列精心設計的實驗項目，旨在讓學習者在動手實踐中深刻理解信號、係統和控製理論的核心概念。本書鼓勵學生主動探索，通過實驗觀察和數據分析來驗證理論，培養獨立解決工程問題的能力。無論是在校學生還是在職工程師，本書都能為他們在信號處理、係統建模與分析以及自動控製領域打下堅實的基礎，並為進一步深入學習和研究提供寶貴的實踐經驗。
我是在校大三學生，參加學校的電子設計競賽時，我們團隊在“信號處理”這一環節遇到瞭瓶頸。我們的理論知識很強，但一涉及到將算法部署到FPGA或DSP闆卡上時，就束手無策。這本書的章節結構安排得非常人性化，它不是簡單地將理論與實驗強行拼湊，而是邏輯性地引導讀者從理論構建到算法的實現路徑。例如，在講解如何用離散捲積實現濾波時，它不僅僅展示瞭捲積公式，還緊接著提供瞭用C語言或MATLAB/Simulink實現該算法的僞代碼和關鍵步驟說明。這使得我們能夠快速地將數學模型轉化為可執行的代碼塊，極大地縮短瞭我們的開發周期。此外，書中對於錯誤調試的指導也非常到位，它列齣瞭幾種常見的實驗故障現象及其可能的原因，比如ADC溢齣、信號漂移等，並給齣瞭相應的排查思路。這對於我們這些缺乏經驗的初學者來說，無疑是最好的“避坑指南”，讓我們在調試中少走瞭很多彎路，最終成功地將我們的創新算法穩定地運行在瞭目標硬件平颱上。