控制系统CAD电子教材 前言
控制系统CAD及仿真
——MATLAB语言与应用王海英、孟庆松、袁丽英编著
景旭主审
内容简介
本书以MATLAB软件为平台，系统地介绍了控制系统分析、设计及仿真的基本概念、原理和方法，全书共分七章，主要包括：MATLAB语言及程序设计，控制系统的分析，古典控制和现代控制系统的设计，控制系统仿真等内容。
同时，为了帮助读者进一步掌握本书内容，在附录中可查阅相关的MATLAB命令和函数库。
本书系自动化、系统工程专业本科高年级学生使用教材，适用于自动控制原理，现代控制理论、系统工程等相关课程，也可作为工程技术人员的参考用书。
前言
控制系统理论、计算方法与计算机技术的结合是当代控制理论发展的标志，因此在以MATLAB为代表的软件平台上，对控制系统进行分析、设计与仿真就成了控制工程师必须熟练掌握的重要知识与技能。
控制系统CAD及仿真是建立在古典控制理论、现代控制理论、计算方法、计算机技术等多方面知识上的综合性学科，是一门综合性与实践性较强的专业课，目前已成为自动化学科重要的研究分支，灵活地掌握与运用它有助于我们深刻理解已学过的有关课程内容，为今后从事控制系统领域的研究与开发工作提供坚实的基础。
本书是编者们对教学、实验与科研工作的总结，并在借鉴国内外控制领域专家、学者研究成果的基础上编写而成的。
在内容编排上具有如下几方面的特点：
1、将MATLAB的使用方法和程序设计以简练的篇幅进行介绍，使得直接、快速地了解和掌握MATLAB软件平台成为可能，并采用由浅到深，由易到难逐步深入的方式对控制系统应用MATLAB软件进行刻化；
2、在已学习的古典与现代控制理论的基础上，介绍在MATLAB软件平台上对系统进行分析和设计的方法；
3、重点介绍目前控制系统仿真技术中状态空间法和Simulink仿真的主要思想，达到学以致用的效果；
4、所有的例题、习题都经过精心选择，书中所有的用MATLAB描述的程序都经过严格的上机调试，保证所写程序的可用性，是本书的最重要的特色。
本书不仅适于自动化、电气工程、系统工程、自动控制等专业的大学高年级学生学习，同时也可供控制领域工程师及相关专业技术人员参考。
本书按授课42学时编写，由哈尔滨理工大学计算机与控制学院王海英、孟庆松、袁丽英编著，景旭教授担任主审。
全书共分6章，其中第1、2、3章由袁丽英编写，第4章由王海英、孟庆松编写，第5章由孟庆松编写，第6章及附录由王海英编写，全书由王海英统稿定稿。
本书在编写和成文过程中，始终得到了哈尔滨理工大学教务处、计控学院以及自动化系各位老师的支持与帮助，在此向他们表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，错误或不当之处，敬请广大读者批评指正。
编者
2002年1月。
《电子CAD》授课教案
《电子CAD》授课教案一、教学目标1. 了解电子CAD的概念、作用和应用领域。
2. 掌握电子CAD的基本操作和技巧。
3. 学会使用电子CAD软件进行电子电路设计和绘制原理图。
4. 能够运用电子CAD软件进行PCB板设计和小批量生产。
二、教学内容1. 电子CAD概述1.1 电子CAD的定义和发展历程1.2 电子CAD的作用和应用领域2. 电子CAD基本操作2.1 软件的安装与启动2.2 界面布局和工具栏功能2.3 文件操作（新建、打开、保存、关闭）3. 原理图设计3.1 原理图元件的选取和放置3.2 原理图元件的连接和线路调整3.3 原理图的注释和标注4. PCB设计4.1 PCB布局布线规则4.2 元件封装的选择和放置4.3 布线操作和走线优化5. 小批量生产5.1 Gerber文件5.2 制作钻孔文件（钻孔图）5.3 输出生产文件并进行打样三、教学方法1. 讲授法：讲解电子CAD的概念、作用、应用领域和基本操作方法。
2. 演示法：展示实例，现场演示电子CAD软件的使用技巧。
3. 练习法：学生动手实践，完成原理图设计和PCB设计任务。
4. 问答法：学生提问，教师解答，互动交流。
四、教学准备1. 电子CAD软件：安装好电子CAD软件，确保学生可以顺利地进行实践操作。
2. 教学PPT：制作好相关章节的教学PPT，方便学生复习和巩固所学内容。
3. 实例文件：准备一些电子电路实例，用于讲解和演示。
4. 辅导资料：整理好电子CAD的相关辅导资料，以备学生查阅。
五、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的积极参与程度，提问和回答问题的积极性。
2. 实践操作能力：评估学生在实践环节中完成原理图设计和PCB设计的能力。
3. 学习效果：通过课后作业、测试等方式检验学生对电子CAD知识的掌握程度。
4. 综合素质：考察学生在学习过程中的团队协作、创新能力和解决问题能力。
六、教学安排1. 课时：共计32课时，其中理论教学16课时，实践操作16课时。
控制系统CAD 第1章 绪论资料
控制系统CAD及仿真教材：控制系统仿真主编：郑恩让北京大学出版社/中国林业大学出版社第1章绪论控制系统仿真：采用计算机仿真模型对控制系统进行实验研究。
它是系统科学、控制理论、控制工程、系统辨识、计算机科学等多学科的综合性很强的实验科学技术，是自动化学科的重要的分支。
计算机：精确的计算能力、大容量的存储能力、数据处理能力设计者：综合分析、逻辑判断、创造性思维优点：可以加快系统分析、设计进程、缩短设计周期、提高设计质量。
特别强调：控制系统仿真绝不是简单使用计算机代替人工的计算和绘图，而是通过仿真系统与设计者之间的强有利的“信息交互“，从本质上增强设计人员的想象力、分析力和创造力。
几个例子：1、加加林遇难新说1968年3月27日加加林遇难1988年1月18日塔斯社报道（参考消息1月28日）“加加林驾驶的米格15进入前面飞机产生的湍流区域而进行螺旋飞行状态”，“驾驶员做了5~6次摆脱操作，但缺少约2秒的时间”；“在250~300米高度出了问题”2、广州白云机场坠机事件（1992年）-----起飞飞行中突然遭遇风切变所致3、气囊弹射速度确定（1997年，美国）原来220英里/小时，在加拿大一年统计：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美国众议院通过，调整到180英里/小时。
4、美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用控制系统CAD，即控制系统的计算机辅助设计（Control System Computer Aided Design）。
控制系统CAD技术是对复杂控制系统进行分析和设计的重要方法和手段。
在进行控制系统的分析与综合的过程中，除了要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究，研究系统的固有的动态特性，验算设计的控制器能否达到预期的性能指标，这个过程是设计－实验－修改设计－再实验的过程。
对于比较简单的被控对象，可以通过在实际系统上进行实验和调整来获得较好的参数整定，最终获得较好的控制效果。
控制系统课程设计pdf
控制系统课程设计pdf一、课程目标知识目标：1. 学生能理解控制系统的基本概念，掌握不同类型的控制系统及其特点。
2. 学生能够运用数学模型描述控制系统的动态行为，并分析系统稳定性。
3. 学生能够解释控制系统中反馈机制的重要性，并掌握闭环控制系统的设计方法。
技能目标：1. 学生能够运用控制系统的原理，设计简单的控制算法，解决实际问题。
2. 学生能够运用模拟和数字工具对控制系统进行仿真，分析并优化系统性能。
3. 学生通过小组合作，提高解决复杂工程问题的能力和团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到控制系统在日常生活和国家建设中的广泛应用，激发对工程技术的兴趣和热情。
2. 学生通过控制系统课程的学习，培养科学探究精神，形成积极的学习态度和终身学习的习惯。
3. 学生能够在探究控制系统的过程中，体会团队合作的重要性，增强社会责任感和集体荣誉感。
本课程旨在通过理论与实验相结合的方式，使学生在理解控制理论的基础上，掌握控制系统的分析与设计方法。
针对高中年级学生的认知特点，课程设计将注重理论与实践相结合，提升学生的抽象思维能力和实际问题解决能力。
通过小组合作与讨论，培养学生沟通协作能力，并强化其对控制系统在现代社会中作用的认识。
教学要求强调学生对知识的深入理解和技能的熟练应用，旨在为学生提供坚实的理论基础和实践经验。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 控制系统基本概念：控制系统定义、分类、开环与闭环控制系统、控制系统的性能指标。
2. 控制系统数学模型：线性连续系统的微分方程、传递函数、状态空间表示；线性离散系统差分方程、Z传递函数。
3. 控制系统稳定性分析：稳定性定义、劳斯-赫尔维茨稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据。
4. 控制器设计：比例-积分-微分（PID）控制器设计原理、根轨迹设计法、频率响应设计法。
5. 控制系统仿真与实验：运用MATLAB/Simulink进行控制系统仿真，开展控制系统相关实验。
电子系统cad课程设计
电子系统cad课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握电子系统CAD的基本概念、原理和应用。
2. 培养学生运用CAD软件进行电路原理图绘制、PCB布线、电路仿真等操作的能力。
3. 使学生了解电子系统设计中常用的CAD工具及其特点。
技能目标：1. 培养学生运用CAD软件进行电子系统设计的能力，包括原理图绘制、PCB 布线、元件库管理等。
2. 培养学生分析、解决电子系统设计过程中遇到的问题的能力。
3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子系统CAD技术的兴趣，激发学生主动学习的热情。
2. 培养学生严谨、认真的工作态度，注重实践与理论相结合。
3. 培养学生遵守国家法律法规，遵循行业道德规范，具备良好的职业道德。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，以电子系统设计为主线，结合CAD 软件进行教学。
学生特点：学生具备一定的电子技术基础，对计算机操作较熟悉，学习积极性较高。
教学要求：注重理论与实践相结合，以项目为导向，培养学生的实际操作能力和解决问题的能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. CAD基本概念与原理：介绍CAD的定义、发展历程、分类及其在电子系统设计中的应用。
教材章节：第一章2. 电路原理图绘制：讲解原理图绘制的基本方法、元件库的使用、原理图设计规范等。
教材章节：第二章3. PCB布线设计：介绍PCB布线的基本流程、布线规则、层叠结构设计等。
教材章节：第三章4. 电路仿真：讲解仿真原理、仿真方法、常用仿真软件及其操作。
教材章节：第四章5. 电子系统设计实例：结合实际案例，让学生了解电子系统设计的全过程，包括需求分析、方案设计、原理图绘制、PCB布线、仿真调试等。
教材章节：第五章6. CAD软件操作与实践：指导学生运用CAD软件进行电子系统设计操作，提高实践能力。
教材章节：第六章教学内容安排与进度：1. 第1周：CAD基本概念与原理2. 第2-3周：电路原理图绘制3. 第4-5周：PCB布线设计4. 第6周：电路仿真5. 第7-8周：电子系统设计实例分析与实践6. 第9周：CAD软件操作与实践总结教学内容确保科学性和系统性，以教材为依据，结合课程目标进行教学大纲的制定。
控制系统CAD-基于MATLAB语言第二版教学设计 (2)
控制系统CAD-基于MATLAB语言第二版教学设计概述控制系统CAD (Control System Computer-ded Design) 是指利用现代计算机技术实现控制系统设计、分析、仿真和优化的一种方法。
控制系统CAD已成为现代控制系统设计的主要手段。
MATLAB语言是现代控制系统CAD的主要工具之一。
本教学设计旨在帮助学生掌握控制系统CAD的基本原理和MATLAB语言的应用。
通过本教学设计，学生将学会使用MATLAB工具进行控制系统CAD的分析、仿真和优化，并能够理解控制系统CAD在实际工程中的应用。
教学内容第一部分：MATLAB语言基础1.MATLAB语言简介2.MATLAB基础语法3.MATLAB矩阵运算4.MATLAB绘图第二部分：控制系统CAD基础1.控制系统基础知识2.系统建模与表示3.传递函数与状态空间表示4.系统响应分析第三部分：MATLAB在控制系统CAD中的应用1.系统仿真2.模型优化3.控制器设计4.系统分析与鲁棒性分析教学方法本教学设计主要采用讲授、实验和讨论相结合的教学方法。
具体来说，每个教学单元设置理论环节和实践环节。
理论环节主要讲解控制系统CAD原理和MATLAB 语言的应用，实践环节则通过实验来帮助学生应用MATLAB工具进行建模、仿真、优化和控制器设计。
在讲授环节，教师将主要采用演示、讲解、提问等多种形式，通过示例来帮助学生理解控制系统CAD的基本原理和MATLAB语言的应用。
在实践环节，教师将通过实验指导学生使用MATLAB工具进行模型建立、仿真、优化和控制器设计，帮助学生加深对控制系统CAD的理解。
在讨论环节，教师将主要采用小组讨论或全班讨论的形式，引导学生讨论控制系统CAD的应用、问题和挑战，激发学生的思考和创新能力。
实验设计本教学设计中设置了多个实验环节，主要包括：1.绘制2D图形和3D图形2.求解线性方程组3.建立传递函数和状态空间模型4.分析系统的稳态与瞬态特性5.用MATLAB工具进行系统仿真6.用MATLAB工具进行系统优化与控制器设计通过实验环节，学生将能够熟练使用MATLAB工具进行控制系统CAD的建模、仿真和优化，并能够理解控制系统CAD在实际工程中的应用。
《电子CAD》授课教案
《电子CAD》授课教案一、课程简介1. 课程名称：电子CAD2. 课程性质：专业基础课3. 学时安排：64学时4. 授课对象：电子工程专业学生5. 课程目标：使学生掌握电子CAD的基本原理、操作方法和应用技巧，提高学生在电子设计领域的实际工程能力。
二、教学内容1. 电子CAD概述1.1 电子CAD的定义与发展历程1.2 电子CAD的基本功能与特点1.3 电子CAD的应用领域2. 电子CAD基本操作2.1 软件安装与界面熟悉2.2 文件操作与管理2.3 绘图工具与基本绘图命令2.4 属性设置与编辑3. 电子CAD高级操作3.1 原理图设计3.2 PCB设计3.3 电路仿真3.4 设计输出与打印4. 实例讲解与实践4.1 实例一：简单电路原理图设计4.2 实例二：PCB设计及电路仿真4.3 实例三：复杂电路原理图设计与PCB制作5. 电子CAD软件常用功能介绍5.1 元件库管理5.2 常用原理图绘制工具5.3 PCB布局与布线技巧5.4 设计collaboration 功能三、教学方法1. 讲授与实践相结合：通过讲解电子CAD的基本原理和操作方法，结合实际操作练习，使学生掌握电子CAD的使用技巧。
2. 案例教学：通过分析实例，使学生了解电子CAD在实际工程中的应用，提高学生的实际操作能力。
3. 小组讨论与合作：鼓励学生分组讨论，共同完成设计任务，培养学生的团队协作能力。
4. 课外自学与辅导：引导学生利用课外时间学习电子CAD相关知识，对学生的疑问进行解答和指导。
四、教学评价1. 平时成绩：考察学生的出勤、课堂表现、作业完成情况，占总评的30%。
2. 实践操作考核：评估学生在实践操作中的表现，占总评的40%。
3. 课程设计：评估学生在课程设计中的成果，占总评的30%。
五、教学资源1. 教材：《电子CAD教程》2. 软件：Altium Designer、Cadence等电子CAD软件3. 网络资源：相关电子CAD教程、案例库、在线论坛等4. 实验室资源：计算机、电子CAD软件、示波器、信号发生器等实验设备六、教学环境1. 硬件要求：计算机实验室，每台计算机配备电子CAD软件及其它相关软件。
《控制系统仿真与CAD》课程设计指导书
《控制系统仿真与CAD》课程设计指导书一、目的和任务配合《控制系统仿真与CAD》课程的理论教学，通过课程设计教学环节，使学生掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，有效地提高学生实验动手能力。
基本要求：1、利用MATLAB提供的基本工具，灵活地编制和开发程序，开创新的应用。
2、熟练地掌握各种模型之间的转换，系统的时域、频域分析及根轨迹绘制。
3、熟练运用SIMULINK对系统进行仿真。
4、掌握PID控制器参数的设计。
二、设计要求1、编制相应的程序，并绘制相应的曲线。
2、对设计结果进行分析。
3、撰写和打印设计报告（包括程序、结果分析、仿真结构框图、结果曲线）。
三、设计内容1、本次设计有八个可以选择的题目，至少选择两个题目进行设计。
2、“设计报告”要按规定的格式撰写（对于存在“逻辑混乱”、“文字不清”、“作图潦草”等问题的报告，将予以退回重新撰写）。
3、无论计算机录入/打印还是手工书写，均要求用标准A4纸进行撰写，以便于报告最终的批阅与存档。
四、时间安排1、课程设计时间为一周。
2、第1天布置设计题目，讲授设计的要求。
3、第2～4天学生进行设计。
4、第5天教师验收，然后学生撰写和打印设计报告。
选题一：二阶弹簧—阻尼系统的PID 控制器设计及参数整定考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数()G s 如下，参数为M=1kg ，b=2N.s/m ，k=25N/m ，()1F s =。
设计要求：（1）控制器为P 控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
（2）控制器为PI 控制器时，改变积分系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
(例如当Kp=50时，改变积分系数大小)（3）设计PID 控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。
控制系统CAD课程介绍
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谢 谢！
北京广播电视大学开放教育选修课
控制系统CAD 控制系统CAD
第二讲 课程概述（ 课程概述（下）
一、课程概况 二、教学媒体 三、教学建议
2011-12-14 11
责任教师:孙志娟 责任教师 孙志娟
E-mail: sunzj@ 北京广播电视大学 中国. 中国.中学政治教学网崇尚互联共享
中国. 中国.中学政治教学网崇尚互联共享 详见本课程在线学习网上的“控制系统CAD课程考试说明” 详见本课程在线学习网上的“控制系统CAD课程考试说明” ！ CAD课程考试说明
3. 考核安排
⑵终结性考试(50％) :大作业是完成控制系统CAD的终 终结性考试 ％ 大作业是完成控制系统CAD的终 CAD
2. 教学内容
在根轨迹分析中的应用（ 学时 学时） ⑹MATLAB在根轨迹分析中的应用（7学时） 在根轨迹分析中的应用
熟练掌握：利用MATLAB 绘制系统根轨迹。 绘制系统根轨迹。 ① 熟练掌握：利用 掌握：根据根轨迹图对系统的性能进行定性分析。 ② 掌握：根据根轨迹图对系统的性能进行定性分析。 了解：根轨迹的基本概念。 ③ 了解：根轨迹的基本概念。
二、教学媒体
1. 文字教材
文字主教材： 控制系统CAD CAD》 文字主教材：《控制系统CAD》（中央
电大出版社出版，王泰健等编著的2010电大出版社出版，王泰健等编著的2010-7） 2010 参考教材： 基于MATLAB/Simulink MATLAB/Simulink的 参考教材： 《基于MATLAB/Simulink的 系统仿真技术与应用( 系统仿真技术与应用(第2版)》（薛定宇 ，、陈阳泉 清华大学出版社，2011，、陈阳泉 ，清华大学出版社，2011-02 MATLAB在自动控制中的应用 在自动控制中的应用》 ） 、《MATLAB在自动控制中的应用》（ 吴晓燕、张双选，西安电子科技大学， 吴晓燕、张双选，西安电子科技大学， 2011-07）。 2011-07）。
控制系统CAD实验指导书2011
《控制系统CAD 》上机实验指导书一、课程实验目的通过运用MATLAB 软件进行控制系统的分析和设计，对控制类课程进行理论验证实验和设计实验，使学生能够进一步熟悉控制系统的原理和设计方法，更直观的了解自动控制系统的运动过程，从而提高学生对控制系统的分析和设计能力。
二、上机实验要求（1） 在MATLAB 环境下独立完成实验内容。
（2） 根据实验结果写出分析报告，报告中附上实验中所编写的程序，同时要提交该程序的电子版。
另外，实验报告中，对每一个实验除了说明实验过程及实验结果以外，要对实验中出现的问题进行分析，并进行小结。
封面要注明姓名、学号、专业等信息。
提交程序电子版时，请以学号建立一个文件夹，将实验中的程序放入该文件夹里，并建立一个readme.txt 文件，用以说明程序和实验的对应关系，以及姓名等个人信息。
三、上机实验内容（8学时）实验一（1学时）：（1）熟悉MATLAB 环境；（2）控制系统模型及其转换。
实验二（3学时）：二阶控制系统在时域和频域内的分析。
实验三（3学时）：编制程序，实现串联校正（超前、滞后、超前--滞后校正），要得到校正装置的元件数值的大小，并标称化。
① 设一单位负反馈控制系统，如果控制对象的传递函数为：)80)(4()(++=s s s K s G p 试设计一个串联超前校正装置。
要求：相角裕度≥45。
；当系统的输入信号是单位斜坡信号时，稳态误差e ss ≤0.04；取C=1μF 时，确定该串联超前校正装置的元件数据；绘制出校正后系统和未校正系统的Bode 图及其闭环系统的单位阶跃响应曲线，并进行对比。
(提示：稳态误差e ss ≤0.04 —> 取kv=1/e ss =25，k0=8000 )② 设一单位负反馈控制系统，其控制对象的传递函数为：)80)(4()(++=s s s K s G p 试设计一个串联滞后校正装置。
要求：相角裕度≥45。
；当系统的输入信号是单位斜坡信号时，稳态误差e ss ≤0.04；取C=100μF 时，确定该串联滞后校正装置的元件数据；绘制出校正后系统和未校正系统的Bode 图及其闭环系统的单位阶跃响应曲线，并进行对比。
CAD教学讲课稿
2. 公制新建文件：以中国单位新建空白文件
操作：①执行新建命令 ②在“打开”后面点击“三角按钮”，选择
“无样板打开——公制”。
3. 英制新建文件：以国际单位新建空白文件
操作：①执行新建命令 ②在“打开”后面点击“三角按钮”，选择
“无样板打开——英制”。
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①视图工具工具栏
方法:（1）打开“视图”“工具栏” （2）选择“工具栏”选项卡 （3）点击“新建”，新建一个工具栏 （4）在“命令”选项卡中，把要使用的命令拖动到选新的
工具栏上
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一、点选 定义：用鼠标点击进行选择对象
第三技节巧：选按择住S对hif象t键点击可以减选对象
4、方向：设置角度0°度开始方向
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二、绘图区设置（图形界限）
位置：格式图形界限 定义：操绘作图：区1大、执小行的图设形置界限命令
2、回车 3、在命令行输入图形界限的长度和 宽度，中间用逗号隔开
注：在设置完成图形界限后，必须执行“视图缩放 全部”或者在命令行执行ZOOM缩放命令，选 择“全部(A)”的选项,图形界限才会生效
九、云线
命 令：revcloud 命令位置：绘图云线 定 义：一条由圆弧组成的线条 绘制方法：执行命令后，直接用鼠标在视图中移动绘制 选 项：1、弧长(A)：设置组成云线的最大弧长和最小弧长
2、对象(O)：将其它线条转换为云线
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十、多线
定义：由多条线条组成的平行线
1、多线绘制
教学课件
科目：AutoCAD
目录
第一章：简介、界面、新建文件 第二章：绘图前设置、视图控制、选择对象 第三章：绘制图形 第四章：修改工具 第五章：图层、捕捉状态 第六章：标注 第七章：三维 第八章：打印