1）工程背景強，能夠體現復雜工程問題的解決方案。所有實驗項目都來自實際工程問題，例如，柔性關節的控制與機器人、航天器中的柔性關節的控制問題類似，柔性尺可以很好地模擬機器人和航天器上柔性連杆的工作狀態。2）多學科交叉。將控制理論所涉及的三個基礎學科：力學、數學和電學（含計算機）有機的結合起來。3）結構體繫清晰。實驗項目遵循：理論分析→繫統建模→算法設計→繫統仿真→實際繫統調試→控制性能分析的設計思路。

本書以Quanser旋轉運動繫列實驗裝置為基礎，全面繫統地介紹了運動控制繫統結構方案及運動控制設計理論與方法。全書分6章，第1章介紹Quanser實時仿真控制繫統的軟件平臺及硬件接口。第2～6章針對五種典型的旋轉運動實驗裝置（QUBE-Servo 2 USB旋轉倒立擺、SRV02旋轉伺服、BB01球杆繫統、旋轉柔性尺、旋轉柔性關節）編排教程內容，包括實驗繫統介紹、繫統分析與建模、實驗準備、實驗練習、實驗結果。實驗內容涵蓋對像建模、穩定性分析、速度與位置控制、經典與現代控制算法設計等。附錄A介紹了SRV02旋轉伺服接口功能的實現方法。書中還結合具體實驗，針對控制過程中存在的非線性、飽和、噪聲等實際工程問題引導學生展開分析研究。

王海梅，博士，南京理工大學自動化學院實驗中心主任、碩士生導師、主要研究方向：智能信息處理、控制理論及應用。獲***、省級高校自制實驗設備一、二、三等獎各1項。承擔"控制工程基礎”、"過程計算機控制繫統”等課程的教學。主持省級以上教改課題3項，獲國家教學成果獎3項、省級教學成果獎1項。主要參與建設的"控制工程基礎”獲***精品資源共享課程（2016.6）和國家精品課程（2004.12）。

目 錄
第1章 QUARC軟件與硬件接口模塊介紹 1
1．1 QUARC實時控制軟件 1
1．2 數據采集板 3
1．2．1 設備簡介 3
1．2．2 主要技術參數 4
1．3 功率放大器 6
1．3．1 設備簡介 6
1．3．2 主要技術參數 7
第2章 QUBE-Servo 2 USB旋轉倒立擺 8
2．1 繫統介紹 8
2．1．1 繫統結構 8
2．1．2 主要部件及技術參數 10
2．2 繫統實驗 13
2．2．1 電機控制基礎 13
2．2．2 信號濾波 15
2．2．3 穩定性分析 17
2．2．4 階躍響應法建模 18
2．2．5 機理法建模 21
2．2．6 二階繫統 23
2．2．7 PD控制 24
2．2．8 超前校正 27
2．2．9 擺杆轉動慣量測量 30
2．2．10 旋轉倒立擺測量模型 31
2．2．11 穩擺控制 33
2．2．12 狀態空間法建模 36
2．2．13 起擺控制 38
2．2．14 最優LQR控制 41
第3章 SRV02旋轉伺服 45
3．1 繫統介紹 45
3．1．1 繫統結構 45
3．1．2 主要部件及技術參數 46
3．1．3 設備連接 50
3．1．4 部件測試與故障診斷 53
3．2 SRV02建模 54
3．2．1 機理法建模 55
3．2．2 實驗建模 57
3．2．3 建模結果 62
3．3 SRV02位置控制 62
3．3．1 繫統設計指標 62
3．3．2 控制器設計 62
3．3．3 實驗準備 64
3．3．4 實驗練習 65
3．3．5 實驗結果 70
3．4 SRV02速度控制 71
3．4．1 繫統設計指標 71
3．4．2 控制器設計 71
3．4．3 實驗準備 76
3．4．4 實驗練習 76
3．4．5 實驗結果 80
第4章 BB01球杆繫統 82
4．1 繫統介紹 82
4．1．1 繫統結構 82
4．1．2 主要部件及技術參數 83
4．1．3 繫統裝配與設備連接 84
4．2 繫統分析與建模 86
4．2．1 機理法建模 86
4．2．2 球杆繫統串級控制設計 89
4．3 實驗準備 92
4．4 實驗練習 93
4．4．1 運用理想PD控制器的串級控制繫統仿真 93
4．4．2 運用實際PD控制器、考慮的串級控制 97
4．5 實驗結果 100
第5章 旋轉柔性尺 101
5．1 繫統介紹 101
5．1．1 繫統結構 101
5．1．2 柔性尺模塊技術參數 102
5．1．3 繫統裝配與設備連接 102
5．2 繫統分析與建模 104
5．2．1 繫統的數學建模 104
5．2．2 實驗準備 108
5．2．3 實驗練習 109
5．2．4 建模實驗結果 112
5．3 控制繫統設計 112
5．3．1 繫統設計指標 112
5．3．2 繫統分析與設計 113
5．3．3 實驗準備 114
5．3．4 實驗練習 114
5．3．5 實驗結果 117
第6章 旋轉柔性關節 119
6．1 繫統介紹 119
6．1．1 繫統結構 119
6．1．2 主要部件及技術參數 120
6．1．3 繫統裝配與設備連接 121
6．2 繫統分析與建模 123
6．2．1 繫統的數學建模 123
6．2．2 實驗準備 125
6．2．3 實驗練習 125
6．2．4 建模實驗結果 129
6．3 控制繫統設計 130
6．3．1 繫統設計指標 130
6．3．2 繫統分析與設計 130
6．3．3 實驗準備 132
6．3．4 實驗練習 132
6．3．5 實驗結果 136
附錄A SRV02接口功能實現 137
A．1 直流電機驅動 137
A．2 使用電位器測量位置 140
A．3 使用轉速計測量速度 142
A．4 使用編碼器測量位置 144
A．5 數據保存與曲線繪制 146

前 言

近年來，伴隨著AI技術的快速發展，智能控制技術日益滲透到社會生產的方方面面，從高技術領域的航空航天、導航測控、遙感遙測和無人駕駛，到日常生活的手機、家用電器，甚至兒童玩具，都可以看到智能控制應用的影子。作為自動化的一個重要分支，運動控制在機器人、航空航天和數控機床等領域有著廣泛的應用。技術發展和工業需求客觀上也對高校人纔培養提出了更高的要求，為學生提供具有實際工程背景、體現復雜工程問題解決方案，支持設計型、研究創新型實驗開展的實踐平臺是各高校實驗室建設的指導思想。

Quanser公司1990年成立於加拿大安大略省，是一家生產智能控制教學、科研設備的企業。經過30年的發展，該公司在實時控制繫統開發和制造領域處於國際領先地位，用戶遍及全球各地。目前全球使用Quanser產品的院校超過3000所。

Quanser教學類產品采用工業級零部件制造，具有體積小、結構開放、接口靈活、與Matlab/Simulink完全兼容等特色，對高校設計型、研究型實驗的開展，創新型人纔和卓越工程師的培養具有重要支撐作用。Quanser產品涵蓋面廣，涉及直線與旋轉運動繫列、工業機電驅動繫列、自主機器人及自主無人機繫列、3自由度直升機、磁懸浮實驗繫統等。

面對高校用戶對Quanser設備使用教程的迫切需求，作者編寫了本書，並已獲Quanser（中國）公司授權。本書以五種典型Quanser旋轉運動實驗裝置為基礎，結合人工智能、機器人、航空航天、工業自動化等領域普遍存在的高速電機控制、平衡控制、柔性關節控制等問題設計實驗。實驗項目遵循理論分析→繫統建模→算法設計→繫統仿真→實際繫統調試→控制性能分析的思路，力求將抽像的控制概念，如穩定性、可控性、繫統收斂速度和抗干擾能力等，通過硬件繫統直觀地表現出來。

本書由王海梅編，謝蓉華參與了第5、6章的編寫。

在本書編寫過程中，得到了郭毓教授、錢龍軍教授、Quanser（中國）公司總經理馬凱的指導與幫助，在此表示誠摯的謝意。

對於本書存在的錯誤和不妥之處，懇請廣大讀者不吝指正。

王海梅

2020年7月