机械工程控制及测试技术基础

科学技术起源于人类对原始机械和力学问题的研究。随着人类社会的发展，机械工程出现在人们日常生活、生产、交通运输、军事和科研等各个领域。人们不断地要求机械设备最大限度地代替人的劳动，并产生更多、更好的劳动成果，这就要求机械设备不断地向自动化和智能化方向发展。如今，自动控制技术和测试技术已经广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设的各个领域。自动控制技术以控制理论为基础，以计算机为手段，解决了一系列高科技难题，诸如宇宙航行、航空航天工程、导弹制导与导弹防御体系等领域的一些高精度控制问题等，在科学技术现代化的发展与创新过程中，正在发挥着越来越重要的作用。
随着教育bu高等教育“卓越工程师计划”项目的实施，“新工科”建设项目的铺开，衔接工程教育专业认证及OBE办学理念，适应国际交流及合作办学时代浪潮成为高校发展的关键。机械工程控制及测试技术作为机械工程类专业的核心课程，教学方法、教学手段和教学理念在不断地更新调整。
自动控制理论和测试技术的描述离不开数学，在自动控制理论和测试技术书籍中使用了大量的数学知识，使得大多数学生在学习过程中感到抽象和困难，对学习这些理论的目的性缺乏认识，影响了学习兴趣，学习效果欠佳。为了解决这些问题，本书将工程中不可分割的控制与测试技术相结合，由浅入深导入理论知识点，以工程案例为应用扩展点串接全书各个章节进行深入讲解。本书从基本概念、基本分析方法入手，结合生产和生活中的实例，以时域分析方法为主线，时域分析和频域分析并进，利用直观的物理概念，使学生充分理解系统结构、参数与系统指标之间的内在联系，由浅入深地引导学生理解和掌握经典控制理论的精髓。结合实用性传感器的原理介绍和应用说明，使学生更好地理解被测信号的测量、显示和记录全过程，使学生理解并可灵活运用控制和测试理论，进而对复杂工程问题进行分析、设计和研究。
本书共9章，第1~6章由长春工程学院吴波副教授编写，其中，2.6、3.6、4.4、5.4节的设计示例由沈阳机床成套设备有限责任公司刘洋高级工程师编写; 第7~9章由长春工程学院杨威老师编写。
在本书的编写过程中，编者得到了许多授课老师的关心、支持和帮助，并参阅了国内外有关控制理论和测试技术方面的教材、资料和文献，在此对各位作者谨致谢意。
控制理论和测试技术发展日新月异，加之编者水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，恳请读者不吝指教。

编者
2022年5月
本书教学课件和习题答案

本书根据应用型本科院校的教学特点,结合编者多年教学经验编写而成。本书将工程中不可分割的 控制与测试技术相结合,由浅入深导入理论知识点,以工程案例为应用扩展点,使学生理解并灵活运用控 制和测试理论,进而对复杂工程问题进行分析、设计和研究。 本书可作为高等学校机械工程相关专业的教材和参考书,也可作为继续教育和职业教育的培训教材, 对相关工程技术人员也具有参考价值。

吴波、女、40、副教授，长春工程学院机器人工程专业副主任，主要教授机电一体化相关理论和实践课程、主要进行仿生科学与工程方面科研研究、发表教科研学术论文30余篇、主编教材3部、授权专利20余项、参加和主持省部级以上教科研课题10余项、指导学生参加各类学科竞赛并获得省级以上奖励百余项。

第1章 绪论00

1.1机械工程控制论和测试技术概述00

1.2反馈控制00

1.2.1反馈控制原理00

1.2.2控制系统的组成00

1.2.3控制案例00

1.3控制系统的分类0

1.3.1按控制系统有无反馈划分0

1.3.2按控制系统中的信号类型划分0

1.3.3按控制变量的多少划分0

1.3.4按系统控制量变化规律划分0

1.3.5按系统本身的动态特性划分0

1.3.6按系统采用的控制方法划分0

1.4对控制系统的基本要求0

1.5测试技术的任务0

1.6测试技术的主要内容0

1.7测试系统的组成0

1.8机械制造的发展与控制理论和测试技术的应用和发展0

1.8.1控制理论的应用和发展0

1.8.2测试技术的应用和发展0

习题0

第2章 系统的数学模型0

2.1系统的微分方程0

2.1.1线性元件的微分方程0

2.1.2非线性微分方程的线性化0

2.1.3相似原理0

2.2拉普拉斯变换及其反变换0

2.2.1拉普拉斯变换0

2.2.2拉普拉斯反变换0

2.2.3用拉氏变换求解微分方程0

2.3系统的传递函数0

2.3.1传递函数0

2.3.2典型环节及其传递函数0

2.4系统动态结构图0

2.4.1系统方框图的组成0

2.4.2系统动态结构图的建立0

2.5系统的传递函数方框图及其简化0

2.5.1环节的基本连接方式0

2.5.2方框图的变换与简化0

2.5.3系统的信号流图及梅森公式0

2.6设计示例——工作台位置自动控制系统的传递函数0

习题0

第3章 系统的时域特性分析0

3.1典型输入信号0

3.2系统的时域性能指标0

3.3系统的稳定性0

3.3.1时间响应及其组成0

3.3.2稳定的基本概念0

3.3.3Routh稳定判据0

3.41阶系统时域分析0

3.52阶系统时域分析0

3.6设计示例——工作台位置自动控制系统的时域分析0

习题0

第4章 系统的频率特性分析0

4.1频率特性概述0

4.1.1频率特性的基本概念0

4.1.2频率特性的求法0

4.1.3频率特性的特点和作用0

4.2典型环节频率特性的奈奎斯特图0

4.2.1奈奎斯特图的概念0

4.2.2典型环节的奈奎斯特图0

4.2.3系统奈奎斯特图的画法

4.3典型环节频率特性的伯德图

4.3.1伯德图的概念

4.3.2典型环节的伯德图

4.3.3绘制系统伯德图的步骤

4.4设计示例——工作台位置自动控制系统的频域分析

习题

第5章 根轨迹分析法

5.1根轨迹基本概念

5.2根轨迹的幅值条件和相角条件

5.3绘制根轨迹的基本规则

5.4设计示例——工作台位置自动控制系统的根轨迹分析

习题

第6章 多模态控制器

6.1比例控制器

6.2比例积分控制器

6.3比例微分控制器

6.4比例积分微分控制器

习题

第7章 测量的基础知识及测试系统特性

7.1测量的基础知识

7.1.1量与量纲

7.1.2法定计量单位

7.1.3测量、计量、测试

7.1.4基准和标准

7.1.5量值的传递和计量器具检定

7.1.6测量方法

7.1.7测量装置

7.1.8测量误差

7.1.9测量精度和不确定度

7.1.10测量器具的误差

7.2测试系统的基本特性

7.2.1概述

7.2.2测试装置的静态特性

7.2.3测量装置的动态特性

7.2.4测量装置的负载特性

7.2.5测量装置的抗干扰性

习题

第8章 常用传感器的原理及应用

8.1常用传感器分类

8.2限位开关

8.2.1限位开关的概念

8.2.2内置微动开关驱动机构

8.2.3开关的构成材料

8.2.4限位开关用语说明

8.2.5限位开关接点保护电路

8.2.6限位开关接线注意事项

8.2.7使用环境

8.2.8关于定期检查和定期更换

8.2.9关于操作

8.2.10挡块的设计

8.2.11开关故障解决

8.3接近传感器

8.3.1接近传感器的定义

8.3.2接近开关特点

8.3.3接近传感器原理

8.3.4接近传感器分类

8.3.5接近传感器术语说明

8.3.6接近传感器型号、额定值及规格

8.3.7接近传感器接线

8.3.8外界环境对传感器的影响

8.4光电传感器

8.4.1光电传感器的定义

8.4.2光电传感器的特点

8.4.3光电传感器原理及外观尺寸

8.4.4光电传感器额定规格及性能

8.4.5光电传感器接线

8.4.6光电传感器正确使用方法

8.5位移传感器

8.5.1位移传感器的定义

8.5.2位移传感器原理分类

8.5.3位移传感器型号、额定值及规格

8.5.4位移传感器的外观尺寸及接线

8.6安全光幕

8.6.1安全光幕的定义及工作原理

8.6.2安全光幕的型号构成、种类及选型

8.6.3安全光幕系统结构

8.6.4安全光幕接线

8.7旋转编码器

8.7.1旋转编码器的定义和特点

8.7.2旋转编码器的原理

8.7.3旋转编码器选择要点

8.7.4旋转编码器基本术语

8.7.5旋转编码器的种类

8.7.6旋转编码器的额定值和性能

8.7.7旋转编码器的接线方法

8.8压力传感器

8.8.1压力传感器的定义及工作原理

8.8.2压力传感器的基本术语

8.8.3数字压力传感器

习题

第9章 电信号的调理与记录

9.1电桥

9.1.1直流电桥

9.1.2交流电桥

9.2调制与解调

9.2.1幅值调制与解调

9.2.2频率调制与解调

9.3信号的放大与衰减

9.3.1信号放大器的主要特性

9.3.2使用运算放大器的放大器

9.3.3信号衰减

9.4滤波器

9.4.1滤波器的分类

9.4.2理想滤被器与实际滤波器

9.4.3恒带宽比和恒带宽滤渡器

9.5信号的显示与记录

9.5.1模拟指示仪表

9.5.2数码显示仪表

9.5.3图像显示仪表

9.5.4信号的记录和存储

习题

参考文献

打造应用型本科特色教材，应用为主、基础为先，为智能制造业发展添砖加瓦。本书配套教学课件和习题答案