第 1章 自动控制技术概述

1.1 引言............................................................................................................................................ 1

1.2 高技术和新技术基本特征......................................................................................................... 1

1.3 实用自动控制特点及内容......................................................................................................... 4

1.3.1 特点................................................................................................................................. 4

1.3.2 内容................................................................................................................................. 4

1.4 习题............................................................................................................................................ 8

第2 章 传感器的结构原理

2.1 传感器概述................................................................................................................................ 9

2.1.1 传感器概念...................................................................................................................... 9

2.1.2 传感器的应用.................................................................................................................. 9

2.2 电阻式传感器........................................................................................................................... 10

2.2.1 原理............................................................................................................................... 10

2.2.2 结构类型........................................................................................................................ 11

2.3 电感式传感器........................................................................................................................... 14

2.3.1 原理............................................................................................................................... 15

2.3.2 电感式传感器的主要形式............................................................................................ 15

2.4 电容式传感器........................................................................................................................... 18

2.4.1 原理............................................................................................................................... 18

2.4.2 结构类型........................................................................................................................ 18

2.4.3 电容式传感器的优缺点................................................................................................ 20

2.5 光电式传感器........................................................................................................................... 20

2.5.1 光电元件........................................................................................................................ 20

2.5.2 光电传感器的应用实例................................................................................................ 24

2.6 光纤传感器............................................................................................................................... 26

2.6.1 工作原理........................................................................................................................ 26

2.6.2 结构类型........................................................................................................................ 28

2.7 霍尔传感器............................................................................................................................... 31

2.7.1 原理............................................................................................................................... 31

2.7.2 霍尔元件的基本结构.................................................................................................... 33

2.7.3 霍尔元件的使用方法.................................................................................................... 33

2.8 温度传感器............................................................................................................................... 34

2.8.1 热电偶测温原理............................................................................................................ 36

2.8.2 热电偶结构.................................................................................................................... 36

2.8.3 热电偶的使用................................................................................................................ 37

2.8.4 热电偶的补偿导线........................................................................................................ 38

2.8.5 热电偶使用注意事项.................................................................................................... 40

2.8.6 热电偶故障及其修复方法............................................................................................ 41

2.8.7 热敏电阻温度传感器性能参数.................................................................................... 41

2.8.8 集成温度传感器............................................................................................................ 42

2.9 气体传感器............................................................................................................................... 43

2.9.1 半导体气体传感器结构................................................................................................ 43

2.9.2 应用举例........................................................................................................................ 44

2.10 磁性传感器............................................................................................................................. 46

2.10.1 压磁式传感器.............................................................................................................. 46

2.10.2 磁电式传感器.............................................................................................................. 49

2.11 其他形式传感器..................................................................................................................... 52

2.11.1 涡流传感器.................................................................................................................. 53

2.11.2 压电式传感器.............................................................................................................. 55

2.11.3 振弦式传感器.............................................................................................................. 57

2.11.4 湿度传感器.................................................................................................................. 58

2.11.5 等强度应变梁传感器.................................................................................................. 62

2.11.6 商业电子秤用传感器.................................................................................................. 65

2.12 传感器的现状及存在问题..................................................................................................... 67

2.13 习题........................................................................................................................................ 72

第3 章 参数检测

3.1 力参数检测............................................................................................................................... 73

3.1.1 扭转力矩检测................................................................................................................ 73

3.1.2 压（拉）力检测............................................................................................................ 83

3.1.3 张力检测........................................................................................................................ 86

3.1.4 应力检测........................................................................................................................ 88

3.2 热参数检测............................................................................................................................... 94

3.2.1 热敏电阻检测法............................................................................................................ 94

3.2.2 热电偶检测法................................................................................................................ 96

3.3 声参数检测............................................................................................................................... 97

3.3.1 声强测定原理................................................................................................................ 98

3.3.2 测定方法........................................................................................................................ 99

3.4 光参数检测............................................................................................................................. 100

3.4.1 测定原理...................................................................................................................... 100

3.4.2 检测方法...................................................................................................................... 101

3.5 电参数检测............................................................................................................................. 103

3.5.1 直流电流和直流电压的检测...................................................................................... 103

3.5.2 直流电功率检测.......................................................................................................... 106

3.5.3 交流电流和交流电压的检测...................................................................................... 107

3.5.4 交流电功率检测.......................................................................................................... 107

3.5.5 电参数测量注意事项.................................................................................................. 109

3.6 习题........................................................................................................................................ 110

第4 章 自动控制理论基础

4.1 系统动态过程分析基础......................................................................................................... 112

4.1.1 过渡过程及微分方程算子法...................................................................................... 112

4.1.2 结构图及传递函数...................................................................................................... 117

4.1.3 电路的导纳阻抗及传递函数表示方法...................................................................... 122

4.2 常用控制系统的基本类型..................................................................................................... 126

4.2.1 单回路系统.................................................................................................................. 126

4.2.2 多回路系统.................................................................................................................. 126

4.2.3 串级系统...................................................................................................................... 127

4.2.4 比值系统...................................................................................................................... 128

4.2.5 复合系统...................................................................................................................... 129

4.3 自动控制系统典型环节......................................................................................................... 130

4.3.1 惯性环节...................................................................................................................... 130

4.3.2 比例环节...................................................................................................................... 131

4.3.3 积分环节...................................................................................................................... 132

4.3.4 滞后环节...................................................................................................................... 134

4.3.5 振荡环节...................................................................................................................... 135

4.3.6 微分环节...................................................................................................................... 136

4.4 PID 调节器.............................................................................................................................. 137

4.4.1 比例（P）调节器........................................................................................................ 139

4.4.2 积分（I）调节器......................................................................................................... 140

4.4.3 微分（D）调节器....................................................................................................... 141

4.4.4 比例积分（PI）调节器............................................................................................... 141

4.4.5 比例微分（PD）调节器............................................................................................. 144

4.4.6 比例积分微分（PID）调节器.................................................................................... 146

4.4.7 反馈网路带有电位计的调节器及惯性环节.............................................................. 151

4.5 最佳控制系统的标准及校正方法......................................................................................... 157

4.5.1 评价系统的主要指标.................................................................................................. 157

4.5.2 二阶闭环调节系统的最佳标准.................................................................................. 158

4.5.3 三阶闭环调节系统的最佳标准.................................................................................. 159

4.5.4 二阶或三阶最佳标准应用举例.................................................................................. 161

4.5.5 校正方法...................................................................................................................... 171

4.6 控制系统常用参数（公式）图表及符号说明..................................................................... 173

4.6.1 调节器的二阶最佳与三阶最佳比较.......................................................................... 173

4.6.2 电气传动常用调节对象的计算.................................................................................. 174

4.6.3 常用电气网路的复数阻抗.......................................................................................... 178

4.6.4 常用电子调节器的线路及特性.................................................................................. 180

4.6.5 符号说明...................................................................................................................... 183

4.7 习题........................................................................................................................................ 184

第5 章 计算机控制

5.1 结构特性................................................................................................................................ 189

5.2 指令功能................................................................................................................................ 193

5.2.1 指令符号的意义.......................................................................................................... 193

5.2.2 指令及地址.................................................................................................................. 194

5.3 应用举例................................................................................................................................ 203

5.3.1 工业顺序控制.............................................................................................................. 204

5.3.2 步进电机控制.............................................................................................................. 207

5.3.3 警报音变控制.............................................................................................................. 208

5.3.4 彩灯花样控制.............................................................................................................. 209

5.3.5 用单片机控制测量系统.............................................................................................. 210

5.4 习题........................................................................................................................................ 212

第6 章 接口技术

6.1 电平变换接口......................................................................................................................... 213

6.2 各类半导体器件间的接口..................................................................................................... 215

6.2.1 晶体管驱动TTL 电路的接口..................................................................................... 215

6.2.2 运算放大器与CMOS电路间的接口......................................................................... 216

6.2.3 CMOS 与TTL 的接口................................................................................................. 216

6.2.4 光敏器件同TTL 匹配的接口..................................................................................... 217

6.3 工业电气设备及大负载与低压半导体器件的接口............................................................. 217

6.3.1 工业电气设备与低压半导体器件的接口.................................................................. 218

6.3.2 大负载与低压半导体的接口...................................................................................... 218

6.4 阻抗匹配及负荷计算............................................................................................................. 220

6.4.1 阻抗匹配实例.............................................................................................................. 220

6.4.2 负荷计算...................................................................................................................... 223

6.5 D/A（数/模）转换及接口..................................................................................................... 224

6.5.1 D/A（数/模）转换原理.............................................................................................. 224

6.5.2 D/A（数/模）转换器及接口...................................................................................... 225

6.6 A/D（模/数）转换及接口..................................................................................................... 226

6.6.1 双积分A/D（模/数）转换原理................................................................................. 226

6.6.2 双积分A/D（模/数）转换器及接口......................................................................... 227

6.7 微机键盘、显示及通讯接口................................................................................................. 228

6.7.1 键盘接口...................................................................................................................... 228

6.7.2 显示器接口.................................................................................................................. 232

6.7.3 通讯接口...................................................................................................................... 233

6.8 习题........................................................................................................................................ 235

第7 章 执行机构

7.1 显示执行机构......................................................................................................................... 236

7.1.1 数字式.......................................................................................................................... 236

7.1.2 屏幕式.......................................................................................................................... 240

7.2 记录执行机构......................................................................................................................... 241

7.2.1 描笔式记录仪.............................................................................................................. 241

7.2.2 自动平衡记录器.......................................................................................................... 244

7.2.3 x-y 记录器.................................................................................................................... 245

7.2.4 光线示波器.................................................................................................................. 245

7.2.5 各种记录器的性能比较.............................................................................................. 247

7.3 电机执行机构......................................................................................................................... 248

7.3.1 电机的结构及使用...................................................................................................... 248

7.3.2 电机的选择.................................................................................................................. 251

7.3.3 电机容量计算.............................................................................................................. 255

7.4 开关执行机构......................................................................................................................... 257

7.4.1 接触器.......................................................................................................................... 257

7.4.2 继电器.......................................................................................................................... 260

7.4.3 半导体开关及机械开关.............................................................................................. 263

7.5 习题........................................................................................................................................ 266

第8 章 整机系统分析

8.1 整机系统设计......................................................................................................................... 267

8.1.1 整机系统设计方法...................................................................................................... 268

8.1.2 整机系统设计步骤...................................................................................................... 270

8.2 整机系统安装......................................................................................................................... 270

8.2.1 老化筛选...................................................................................................................... 270

8.2.2 结构布局...................................................................................................................... 271

8.2.3 部件安装...................................................................................................................... 271

8.2.4 整机连接...................................................................................................................... 274

8.3 整机系统调试和测量............................................................................................................. 276

8.3.1 调试过程中的测量...................................................................................................... 277

8.3.2 整机系统的调试.......................................................................................................... 283

8.4 整机系统考核......................................................................................................................... 290

8.5 习题........................................................................................................................................ 291

附录 A 习题参考答案....................................................................................................... 293

附录B 几种MCS-51单片机与其他器件的连接线路图.................................................... 296

参考文献............................................................................................................................. 301

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