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本书是机械设计制造及其自动化、机器人工程和智能制造工程专业教材。全书共分为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。本书将“控制工程基础”和“机械工程测试技术”两门课程的内容相结合，淡化经典测控技术与现代测控技术的界限，重点阐述机械工程共性问题，配合启发式和案例式的教学方式，培养学生理论联系实践及创新的能力。本书主要突出方法论，重视测控技术在滤波器设计、频谱分析和信号数据处理等实际工程中的应用。

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

前    言
随着新工科发展和新旧动能转换，测试技术的智能化与信息化程度越来越高，传统机械行业中的测试技术已经不能满足现代社会的发展需要。根据对工科类专业人才的现代机械系统综合设计与研究能力的要求及现代测控技术的发展趋势，为了适应机械设计制造及其自动化、机器人工程、智能制造工程等专业对智能化课程的需求，本教材在学生已经具备基本的电工电子相关理论的基础上，以机械类专业为对象，突破传统的控制工程基础与机械工程测试技术两门课程单独设立的模式，通过测控技术的教与学，使学生掌握面向机械工程的测控技术基本知识和技能，测控系统分析和设计的基本方法，以及测量信号的基本分析和处理方法、传感器测量原理，并且能够合理选用测控方法和装置构建测控系统，能从理论和计算机模拟中对测控系统的动态性能和稳态性能进行定性分析，培养学生进行机械工程量测试的基本技能及用试验手段解决工程实际问题的能力，为学生解决机械工程中的测试控制问题打下基础。
本书分为上、中、下3篇。上篇为控制系统相关知识，即第1～5章内容，主要介绍自动控制系统的基本概念、数学模型的建立及分析，系统的时域分析、频域分析，控制系统的稳定性、准确性、快速性等性能指标的分析与评价方法。中篇为测试技术相关知识，即第6～11章内容，主要介绍测试系统的频谱分析、常用传感器的工作原理及应用，信号的调理与处理等内容。下篇为测控系统综合应用实例，即第12章的内容，主要介绍测控技术在滤波器设计、频谱分析和信号数据处理等方面的应用。
全书按照基本概念、分析方法、工程应用案例的体系来组织内容，融入思政元素，相关知识点衔接紧密，使学生在了解信号分析、控制与测试系统基本理论的基础上，能够掌握机械产品测试及控制的基本分析和设计方法，提高学生的工程思维和实践应用能力，培养学生的工匠精神与终身学习的能力。本书的编写注重理论联系实际，在内容安排上突出较为系统的基础理论知识，又引进了盛瑞传动股份有限公司、山东山科世鑫科技有限公司等企业在测控方面相关的工程实例，很好地将理论与实践相结合。
本书由刘茵、李兆文担任主编，由刘鹏博、张鹏担任副主编，周婷婷、李智参与编写。上篇的第1～3章由刘茵编写，第4～5章由刘鹏博编写，中篇的第6～9章由李兆文编写，第10～11章由周婷婷编写，下篇的第12章由张鹏、李智编写。在编写本书的过程中，编者参考了众多国内外相关书籍和文献，以及一些院校的讲义和资料，并得到许多同事的关心和帮助，在此表示诚挚的感谢，也非常感谢学院领导的支持，以及出版社编辑同志们的辛勤工作和帮助。
由于时间紧迫及编者学识水平和经验有限，书中难免存在诸多疏漏和错误之处，恳切希望各位同行专家和广大读者批评指正。

编  者

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