机械工程测控技术PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 机械测控系统的结构与工作原理 1

1.1.1 控制系统在工程中的应用与发展 1

1.1.2 控制系统的基本概念 2

1.1.3 开环控制系统和闭环控制系统 3

1.1.4 闭环控制系统的组成 4

1.2 控制系统的基本类型 5

1.2.1 按输入量的特征分类 5

1.2.2 按系统中传递信号的性质分类 6

1.3 对测控系统的基本要求 6

习题 7

第2章 数学模型 8

2.1 系统的运动微分方程 8

2.1.1 列写系统微分方程的一般步骤 8

2.1.2 控制系统常见元件的物理定律 9

2.2 拉普拉斯变换和反变换 11

2.2.1 拉普拉斯变换的定义 12

2.2.2 几种典型函数的拉普拉斯变换 12

2.2.3 拉普拉斯变换的主要定理 12

2.2.4 拉普拉斯反变换 14

2.2.5 部分分式展开法 15

2.3 传递函数 18

2.3.1 传递函数的概念和定义 18

2.3.2 特征方程、零点和极点 20

2.3.3 关于传递函数的几点说明 20

2.3.4 典型环节及其传递函数 21

2.4 系统框图和信号流图 26

2.4.1 系统框图 26

2.4.2 系统框图的简化 30

2.5 非线性数学模型的线性化 34

2.5.1 线性化问题的提出 34

2.5.2 非线性数学模型的线性化 34

2.5.3 系统线性化微分方程的建立 35

2.6 控制系统传递函数推导举例 37

2.6.1 机械系统 37

2.6.2 热电偶温度传感器的传递函数 39

习题 40

第3章 时间响应分析 43

3.1 时域响应以及典型输入信号 43

3.1.1 阶跃函数 43

3.1.2 斜坡函数 43

3.1.3 加速度函数 44

3.1.4 脉冲信号 44

3.1.5 正弦函数 45

3.2 一阶系统的时间响应 45

3.2.1 一阶惯性环节的单位阶跃响应 46

3.2.2 一阶惯性环节的单位速度响应 47

3.2.3 一阶惯性环节的单位脉冲响应 48

3.2.4 线性定常系统时间响应的性质 48

3.3 二阶系统的时间响应 49

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应 50

3.3.2 二阶系统的性能指标 54

3.4 误差分析与计算 58

3.4.1 稳态误差的基本概念 58

3.4.2 稳态误差的计算 59

3.4.3 稳态误差系数 60

3.5 系统稳定的充要条件 66

3.5.1 稳定的概念 66

3.5.2 稳定的充分必要条件 66

3.6 稳定性判据 67

习题 70

第4章 频域响应分析 72

4.1 频域特性概述 72

4.1.1 频域响应与频域特性 72

4.1.2 频域特性的表示方法 75

4.1.3 最小相位系统和非最小相位系统的概念 75

4.2 频域特性的奈奎斯特图 76

4.2.1 极坐标图 76

4.2.2 典型环节的极坐标图 77

4.2.3 系统极坐标图的一般画法 81

4.3 频域特性的伯德图 85

4.3.1 伯德图 85

4.3.2 典型环节的伯德图 86

4.3.3 系统伯德图的一般画法 92

4.3.4 由频域特性确定传递函数 95

4.4 由单位脉冲响应求系统的频率特性 96

4.5 闭环频域特性及频域性能指标 97

4.5.1 闭环频域特性 97

4.5.2 频域性能指标 98

4.6 用系统开环频率特性分析闭环系统性能 100

4.6.1 低频段 100

4.6.2 中频段 102

4.6.3 结论 103

习题 104

第5章 系统校正与PID控制 105

5.1 系统校正的概念 105

5.1.1 系统的性能指标 105

5.1.2 校正的概念 106

5.1.3 校正的方式 106

5.1.4 希望的伯德图 108

5.2 PID控制 110

5.2.1 P控制——比例控制器 111

5.2.2 PD控制——比例—微分控制器 111

5.2.3 I控制——积分控制器 113

5.2.4 PI控制——比例—积分控制器 113

5.2.5 PID控制——比例—积分—微分控制器 114

5.3 PID控制规律的实现 115

5.3.1 PD控制规律的实现 116

5.3.2 PI控制规律的实现 118

5.3.3 PID控制规律的实现 120

5.4 PID控制参数确定 122

5.4.1 PID校正网络参数的确定 122

5.4.2 PID参数整定 123

习题 124

第6章 传感器与测试技术 126

6.1 传感器原理与性能 126

6.1.1 传感器的概念 126

6.1.2 传感器的分类及要求 127

6.1.3 传感器的静态特性 128

6.1.4 传感器的动态特性 130

6.1.5 传感器的性能要求 130

6.2 力、压力和扭矩传感器 130

6.2.1 应变式电阻传感器 131

6.2.2 应变式电阻传感器的应用 133

6.3 位移测量传感器 138

6.3.1 电感式传感器 139

6.3.2 电容式位移传感器 145

6.3.3 光栅 148

6.4 速度、加速度传感器 149

6.4.1 直流测速器 149

6.4.2 光电式转速传感器 150

6.4.3 霍尔式速度传感器 152

6.4.4 加速度传感器 153

6.5 压电式传感器 153

6.5.1 压电效应 153

6.5.2 压电式加速度传感器 153

6.5.3 压电式压力传感器 154

6.6 位置传感器 154

6.6.1 接触式位置传感器 154

6.6.2 接近式位置传感器 155

6.7 温度传感器 156

6.7.1 热敏电阻 156

6.7.2 热电偶传感器 157

6.7.3 热电偶的使用 159

6.8 传感器数据采集 160

6.8.1 传感器信号的采样/保持 161

6.8.2 基于单片机的数据采集 162

6.8.3 基于PLC的数据采集 163

6.8.4 基于工业控制计算机的数据采集 166

习题 168

第7章 设计与应用实例 170

7.1 机械工程测控系统的设计方法 170

7.2 单级倒立摆的建模与控制 171

7.2.1 倒立摆的结构与工作原理 171

7.2.2 系统运动方程 172

7.2.3 系统线性化 173

7.2.4 PID控制器的设计 174

7.2.5 MATLAB系统仿真 174

7.3 张力控制器的设计与应用 176

7.3.1 控制系统的数学模型 176

7.3.2 控制系统的实现方案 177

7.3.3 控制系统的编程组态 178

7.4 纠偏系统的设计与应用 180

7.4.1 缠绕偏移分析 181

7.4.2 纠偏装置结构设计 182

7.4.3 纠偏控制系统设计 182

7.4.4 增量式PID控制算法 183

7.5 大变形柔性铰链转角特性测试仪 185

7.5.1 测试仪总体设计 185

7.5.2 基于MSP430的数据采集 187

7.5.3 数据处理软件设计 188

习题 189

附录 190

附录A 常用函数的拉普拉斯变换 190

附录B 部分习题参考答案 191

参考文献 196