本书以“建模→分析→设计→仿真→优化”为主线，系统呈现15个源自工业现场的典型控制案例。从直流电机、汽车悬架、双容水箱、桥式起重机到SCARA机器人、四旋翼无人机、多电机同步及卷绕张力系统，涵盖运动控制、过程控制、飞行控制、机器人与智能制造等热点领域。每章均给出完整的物理建模、传递函数与状态空间双模型推导，并运用 MATLAB/Simulink 进行时域/频域分析、PID/状态反馈/鲁棒/智能等多方案控制器设计与参数优化，同时提供可直接运行的源代码与仿真模型。通过典型工程案例贯穿控制理论与实践全流程，强化系统辨识、控制器实现及仿真验证的闭环思维，提升读者对多领域物理系统动态特性的理解与调控能力。全书突出“工程问题导向、任务驱动、算法落地”特色，帮助读者在复现中快速掌握经典控制、现代控制与智能控制的精髓，培养解决复杂系统稳定性、快速性与鲁棒性综合分析与设计能力。 本书可供从事控制算法开发、嵌入式实现、智能装备研发的工程技术人员参考，也适合作为自动化、机电一体化、机器人、智能制造等相关专业的高年级本科生或研究生的参考教材。

毛海杰，工学博士，兰州理工大学副教授，中国自动化学会、中国仿真学会、IEEE PES会员。主要从事控制理论与应用的教学与科研工作，研究方向为复杂系统建模、动态系统故障诊断与容错控制、控制系统剩余使用寿命预测与健康维护、多轴系统同步控制研究等。主持国家自然科学基金项目1项、主持和参与国家及省部级项目10余项，发表科研与教学论文20余篇。

前言
第1章直流电机转速控制系统1
1.1系统构成与控制要求1
1.2系统模型建立2
1.2.1传递函数模型2
1.2.2状态方程模型2
1.3控制器设计与程序实现3
1.3.1开环系统性能分析3
1.3.2PID控制器设计3
1.3.3状态反馈控制器设计6
1.4总结与思考9
第2章直流电机位置控制系统10
2.1系统构成与控制要求10
2.2系统模型建立11
2.2.1传递函数模型11
2.2.2状态方程模型11
2.3控制器设计与程序实现12
2.3.1开环系统性能分析12
2.3.2PID控制器设计14
2.3.3状态反馈控制器设计19
2.4总结与思考24
第3章定速巡航控制系统25
3.1系统构成与控制要求25
3.2系统模型建立26
3.2.1传递函数模型26
3.2.2状态空间模型26
3.3控制器设计与程序实现27
3.3.1开环系统性能分析27
3.3.2基于时域凑试法的PID控制器设计28
3.3.3基于根轨迹法的控制器设计32
3.3.4基于极点配置的状态反馈控制器设计35
3.4总结与思考39
第4章汽车悬架控制系统40
4.1系统构成与控制要求40
4.2系统模型建立41
4.2.1传递函数模型41
4.2.2状态空间模型43
4.3控制器设计与程序实现44
4.3.1开环系统性能分析44
4.3.2基于时域凑试法的PID控制器设计45
4.3.3全维状态反馈控制器设计47
4.4总结与思考49
第5章球杆控制系统50
5.1系统构成与控制要求50
5.2系统模型建立51
5.2.1传递函数模型51
5.2.2状态空间模型52
5.3控制器设计与程序实现53
5.3.1开环系统性能分析53
5.3.2基于时域法的PID控制器设计53
5.3.3基于频域法的PID控制器设计55
5.3.4全维状态反馈控制器设计57
5.4总结与思考61
第6章飞机俯仰角控制系统62
6.1系统构成与控制要求62
6.2系统模型建立63
6.2.1传递函数模型63
6.2.2状态空间模型64
6.3控制器设计与程序实现64
6.3.1开环系统性能分析64
6.3.2基于时域法的PID控制器设计65
6.3.3全维状态反馈控制器设计71
6.4总结与思考73
第7章桥式起重机防摆控制系统75
7.1系统构成与控制要求75
7.2系统模型建立76
7.2.1传递函数模型76
7.2.2状态空间模型76
7.3控制器设计与程序实现77
7.3.1开环系统性能分析77
7.3.2基于时域法的PD控制器设计77
7.3.3PD控制器的鲁棒性分析81
7.4总结与思考84
第8章直流电机双闭环调速控制系统85
8.1系统构成与控制要求85
8.2系统模型建立86
8.3控制器设计与程序实现88
8.4仿真结果分析89
8.4.1起动特性分析89
8.4.2抗扰特性分析90
8.5总结与思考91
第9章臂型机器人单关节控制系统92
9.1系统构成与控制要求92
9.2机械臂的单关节动力学模型描述93
9.3控制器设计与程序实现96
9.3.1基于PD的单关节定点跟踪控制96
9.3.2单关节前馈控制99
9.4总结与思考102
第10章一阶倒立摆控制系统103
10.1系统构成与控制要求103
10.2系统模型建立104
10.2.1传递函数模型104
10.2.2状态空间模型105
10.3系统模型验证106
10.4控制器设计与程序实现107
10.4.1开环系统性能分析107
10.4.2电机、驱动器及机械传动装置模型建立108
10.4.3双闭环PID控制器设计108
10.4.4双闭环PID控制方案的鲁棒性分析114
10.5总结与思考115
第11章双容水箱液位控制系统116
11.1系统构成与控制要求116
11.2系统模型建立117
11.2.1传递函数模型117
11.2.2状态空间模型118
11.3控制器设计与程序实现118
11.3.1开环系统性能分析118
11.3.2基于时域法的PID控制器设计120
11.3.3全维状态反馈控制器设计122
11.3.4抗干扰性能分析123
11.4总结与思考125
第12章SCARA机器人控制系统126
12.1系统构成与控制要求126
12.2SCARA 机器人运动学分析与建模126
12.2.1机器人的坐标变换与位姿127
12.2.2基于D-H参数法的机器人齐次变换矩阵127
12.2.3SCARA机器人的运动学正分析127
12.2.4SCARA机器人的运动学逆分析128
12.2.5SCARA的运动学坐标验证129
12.3SCARA 机器人动力学分析与建模130
12.3.1SCARA 机器人的动力学建模130
12.3.2SCARA 机器人动力学仿真132
12.4SCARA 机器人运动轨迹规划134
12.4.1轨迹规划步骤135
12.4.2笛卡儿空间轨迹规划135
12.5电机建模139
12.6基于PID的SCARA 机器人控制系统仿真分析140
12.6.1轨迹生成模块140
12.6.2动力学模块143
12.6.3逆运动学求解模块143
12.6.4关节解耦模块145
12.6.5正运动学求解模块146
12.6.6仿真结果与分析146
12.7总结与思考149
第13章四旋翼无人机控制系统150
13.1系统构成与控制要求150
13.2系统模型建立151
13.3控制器设计与程序实现154
13.3.1开环系统性能分析154
13.3.2PID控制器设计157
13.4总结与思考161
第14章多电机同步控制系统162
14.1系统构成与控制要求162
14.2系统模型建立162
14.3控制器设计与程序实现164
14.3.1多电机同步控制结构的选择164
14.3.2基于偏差耦合+PID多电机同步控制器设计164
14.3.3基于ADRC的控制器设计166
14.4总结与思考170
第15章双电机卷绕张力控制系统171
15.1系统构成与控制要求171
15.2系统模型建立172
15.2.1卷绕张力形成机理与建模172
15.2.2收放卷端动力学建模172
15.2.3伺服电机建模173
15.3基于PI控制的仿真模型搭建与仿真结果分析174
15.3.1电机双闭环PI参数确定174
15.3.2卷绕控制系统仿真分析177
15.4模糊PID控制器设计与仿真结果分析181
15.4.1模糊控制原理181
15.4.2FPID控制器搭建182
15.4.3FPID控制仿真分析183
15.5总结与思考186
参考文献 187