机械工程测试与控制技术

本书共分为12章: 第1章自动控制系统基本概念, 第2章数学建模, 第3章时域分析, 第4章频域分析, 第5章稳定性分析及稳态误差, 第6章测试技术概述, 第7章信号分类及其描述, 第8章测试系统的特性, 第9章常用传感器, 第10章信号调理与处理, 第11章信号数字化处理, 第12章综合实例分析。每章后附有习题。每章根据内容融入思政小课堂的环节, 强化应用创新能力, 关注教学创新。

刘茵，博士，山东农业大学农业电气化与自动化专业，获博士学位，现任机械与汽车工程学院工业机械制造系教师，研究领域为故障诊断研究与分析、承担教科研项目情况。

目 录 上 篇 第1章 自动控制系统基本概念 1 1.1 自动控制理论简述 1 1.2 自动控制基本概念 1 1.2.1 自动控制系统工作原理 2 1.2.2 自动控制系统举例 4 1.3 自动控制系统的组成 7 1.4 控制系统的基本控制方式 8 1.4.1 开环控制方式 8 1.4.2 闭环控制方式 8 1.4.3 复合控制方式 9 1.4.4 开环控制系统与闭环控制系统的比较 10 1.5 自动控制系统的分类 10 1.6 对控制系统的基本要求 12 1.7 控制理论的发展 12 习题 14 第2章 数学建模 17 2.1 微分方程的建立 17 2.1.1 机械系统举例 17 2.1.2 电气系统举例 19 2.2 拉普拉斯变换 20 2.2.1 拉普拉斯变换的定义 20 2.2.2 典型函数的拉氏变换 21 2.2.3 拉氏变换的主要定理 24 2.3 拉氏反变换 26 2.3.1 部分分式展开法 27 2.3.2 应用拉氏变换解线性微分方程 30 2.4 傅里叶变换 31 2.5 传递函数 33 2.5.1 传递函数的定义及一般表达式 33 2.5.2 传递函数的性质 34 2.6 系统方框图 35 2.6.1 系统方框图的基本概念 35 2.6.2 绘制系统方框图 36 2.6.3 系统方框图的等效变换 39 2.7 控制系统的传递函数 43 2.7.1 闭环系统的开环传递函数 44 2.7.2 系统的闭环传递函数 44 2.7.3 系统的总输出 45 习题 46 第3章 时域分析 51 3.1 线性系统及其主要性质 51 3.1.1 线性系统的定义 51 3.1.2 线性系统的主要性质 51 3.1.3 典型输入信号 52 3.2 一阶系统的时间响应 53 3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 53 3.2.2 一阶系统的单位速度响应 55 3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应 55 3.2.4 线性定常系统时间响应的性质 56 3.3 二阶系统的时间响应 56 3.3.1 二阶系统几种不同的状态 57 3.3.2 二阶系统在单位阶跃信号作用下的响应特点 58 3.3.3 二阶系统在单位脉冲信号作用下的响应特点 61 3.3.4 二阶系统在单位速度信号作用下的响应特点 62 3.4 二阶系统的时间响应性能指标 63 3.4.1 评价系统快速性的性能指标 63 3.4.2 评价系统平稳性的性能指标 66 3.5 高阶系统的时间响应 69 3.5.1 高阶系统的单位阶跃响应 69 3.5.2 系统零、极点分布对时域响应的影响 70 习题 71 第4章 频域分析 75 4.1 频率响应函数 75 4.1.1 线性系统的正弦稳态响应和频率特性 75 4.1.2 频率特性与传递函数的关系 76 4.1.3 频率特性的表示方式 77 4.2 典型环节的传递函数和频率特性 81 4.2.1 典型环节的传递函数 81 4.2.2 典型环节的频率特性 86 4.3 系统开环频率特性 98 4.3.1 开环对数频率特性 99 4.3.2 开环幅相图 103 4.3.3 最小相位系统和非最小相位系统 106 习题 108 第5章 稳定性分析及稳态误差 110 5.1 稳定性概念 110 5.2 时域中的稳定性条件 111 5.3 劳斯判据 113 5.4 奈奎斯特稳定判据 117 5.4.1 开环极点与闭环极点 118 5.4.2 幅角原理和奈奎斯特判据 119 5.4.3 奈奎斯特判据应用于Ⅰ型系统和Ⅱ型系统 122 5.4.4 相对稳定性和稳定裕量 126 5.5 稳态误差 130 5.5.1 控制系统的误差 130 5.5.2 输入作用下的稳态误差 132 5.5.3 静态误差系数 137 习题 140 中 篇 第6章 测试技术概述 144 6.1 测试的基本概念 144 6.2 测试技术的任务 144 6.3 测试技术的主要内容 145 6.4 测试系统的组成 145 6.5 测试技术的发展 146 第7章 信号分类及其描述 148 7.1 信号的分类与描述方法 148 7.1.1 信号的分类 148 7.1.2 信号的描述方法 153 7.2 周期信号的频域描述 153 7.2.1 周期信号的三角函数展开式 153 7.2.2 周期信号的复指数展开式 156 7.3 非周期信号的频域描述 158 7.3.1 傅里叶变换与瞬变信号的频谱 159 7.3.2 傅里叶变换的主要性质 161 7.4 几种典型信号的频谱 164 7.4.1 单位脉冲函数（? 函数）的频谱 164 7.4.2 矩形窗函数和常值函数的频谱 167 7.4.3 单边指数函数的频谱 167 7.4.4 正弦、余弦函数的频谱 168 7.4.5 周期单位脉冲序列函数的频谱 168 习题 169 第8章 测试系统的特性 172 8.1 对测试系统的基本要求 172 8.2 测试系统的静态特性 173 8.2.1 非线性度 173 8.2.2 灵敏度 174 8.2.3 分辨力 174 8.2.4 回程误差 175 8.2.5 漂移 175 8.3 测试系统的动态特性 176 8.3.1 传递函数 176 8.3.2 频率响应函数 176 8.3.3 脉冲响应函数 179 8.4 环节的串联和并联 179 8.5 一阶和二阶系统的动态特性 180 8.5.1 一阶系统的动态特性 180 8.5.2 二阶系统的动态特性 183 8.6 测试系统在典型输入下的响应 186 8.6.1 测试系统在单位阶跃信号输入下的响应 187 8.6.2 测试系统在单位正弦信号输入下的响应 188 8.7 实现不失真测试的条件 188 8.8 测试系统特性参数的测定 190 8.8.1 测试系统静态特性参数的测定 190 8.8.2 测试系统动态特性参数的测定 192 习题 194 第9章 常用传感器 196 9.1 传感器概述 196 9.1.1 传感器的定义与组成 196 9.1.2 传感器的分类 196 9.1.3 传感器的发展趋势 198 9.2 电阻式传感器 199 9.2.1 电位器式传感器 199 9.2.2 电阻应变式传感器 201 9.2.3 压阻式传感器 204 9.3 电感式传感器 205 9.3.1 自感式传感器 205 9.3.2 差动变压器 208 9.3.3 电涡流传感器 210 9.4 电容式传感器 212 9.4.1 电容式传感器的工作原理及分类 212 9.4.2 电容式传感器的特点 214 9.4.3 电容式传感器的应用举例 216 9.5 压电式传感器 217 9.5.1 压电效应与压电材料 217 9.5.2 压电式传感器及其等效电路 218 9.5.3 压电元件常用的结构形式 219 9.5.4 压电式传感器的特点及应用 220 9.6 磁电式传感器 220 9.6.1 磁电感应传感器 220 9.6.2 霍尔式传感器 222 9.7 光电式传感器 223 9.7.1 光电效应及光电器件 223 9.7.2 光电式传感器的应用 225 9.8 传感器的选用 227 9.8.1 传感器的主要技术指标 227 9.8.2 传感器的选用原则 228 习题 229 第10章 信号调理与处理 231 10.1 电桥 231 10.1.1 直流电桥 231 10.1.2 交流电桥 234 10.2 调制与解调 235 10.2.1 幅值调制 236 10.2.2 幅值调制信号的解调 238 10.2.3 调制与解调的应用 242 10.3 滤波器 243 10.3.1 滤波器的分类 243 10.3.2 理想滤波器的频率特性 244 10.3.3 实际滤波器及其参数 245 10.3.4 RC滤波器 247 习题 250 第11章 信号数字化处理 253 11.1 信号数字化处理基本步骤 253 11.2 信号数字化过程中出现的问题 254 11.2.1 时域采样、混叠和采样定理 254 11.2.2 量化和量化误差 256 11.2.3 截断、泄漏和窗函数 256 11.3 相关分析及应用 258 11.3.1 相关系数 258 11.3.2 自相关分析 259 11.3.3 互相关分析 264 习题 270 下 篇 第12章 综合实例分析 272 12.1 机电系统简述 272 12.2 检测技术分析实例 272 12.2.1 信号仿真、采集与分析处理 272 12.2.2 对基于计算机的声信号的采集与分析 273 12.2.3 机械运行数据分析与处理 273 12.3 控制技术分析实例 273 12.3.1 带钢卷取跑偏电液伺服控制系统 274 12.3.2 电压-转角机电伺服控制系统 281 12.4 智能检测与控制技术 287 12.4.1 低通滤波器的设计 287 12.4.2 频谱分析 288 12.4.3 股票预测 292 12.4.4 减震器设计 295 参考文献 303