自動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用

第1章自動(dòng)控制的基本概念

1.1自動(dòng)控制簡(jiǎn)況

1.2開環(huán)控制與閉環(huán)控制

1.3控制系統(tǒng)的組成及性能要求

1.4控制系統(tǒng)示例

第2章系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與方塊圖

2.1系統(tǒng)的微分方程

2.2開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

2.3閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

2.4傳遞函數(shù)與方塊圖示例

第3章時(shí)域分析法

3.1系統(tǒng)的穩(wěn)定性

3.2一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

3.3二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

3.4高階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

3.5系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性示例

3.6系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的概念

3.7系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算

第4章頻率特性法

4.1頻率特性的概念

4.2典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性

4.3開環(huán)系統(tǒng)對(duì)數(shù)頻率特性曲線的繪制

4.4對(duì)數(shù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)與相對(duì)穩(wěn)定性

4.5頻域性能指標(biāo)

第5章PID控制

5.1PⅢ控制規(guī)律及實(shí)現(xiàn)裝置

5.2二階工程設(shè)計(jì)法

5.3三階工程設(shè)計(jì)法

5.4按期望對(duì)數(shù)幅頻特性進(jìn)行串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)

5.5按期望對(duì)數(shù)幅頻特性進(jìn)行并聯(lián)校正的設(shè)計(jì)

5.6電力拖動(dòng)系統(tǒng)控制

5.7水泥生料質(zhì)量控制

第6章控制系統(tǒng)的基本元件

6.1控制元件的作用

6.2測(cè)量元件（傳感器）

6.3功率放大元件

6.4執(zhí)行元件

第7章狀態(tài)空間法

7.1矩陣代數(shù)

7.2狀態(tài)空間法的基本概念

7.3狀態(tài)方程與輸出方程的建立

7.4系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)

7.5系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性

7.6狀態(tài)反饋控制

7.7極點(diǎn)配置法

7.8倒立擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

7.9二次型最優(yōu)法

7.10導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律的確定

7.11電液位置控制系統(tǒng)

第8章計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)理論

8.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

8.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

8.3信號(hào)的采樣與復(fù)現(xiàn)

8.4Z變換

8.5脈沖傳遞函數(shù)

8.6閉環(huán)采樣系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

8.7離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差

8.8離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述

8.9離散系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性

第9章計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

9.1數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)

9.2數(shù)字腫控制器設(shè)計(jì)

9.3離散狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)

9.4數(shù)字控制器算法編排實(shí)現(xiàn)

9.5采樣周期的確定

9.6溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

9.7位置伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

9.8天線拋物面控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

9.9退火爐溫鏖控制

9.10鍋爐工藝參數(shù)控制

附錄思考、回答與討論

參考文獻(xiàn)

本書內(nèi)容包括自動(dòng)控制的基本概念、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與方塊圖、時(shí)域分析法、頻率特性法、PID控制、控制系統(tǒng)的基本元件、狀態(tài)空間法、計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)理論、計(jì)算機(jī)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及附錄。

《自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用叢書·觸摸屏工程應(yīng)用》重點(diǎn)介紹西門子、羅克韋爾、施奈德、歐姆龍、富士、三菱、EVIEW、PROFACE、LS、HITECH最常見的10種觸摸屏產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)、組態(tài)軟件、擴(kuò)展與外設(shè)、工程應(yīng)用案例等，使讀者能夠快速掌握各類觸摸屏的應(yīng)用技巧和選型規(guī)律，可作為參考手冊(cè)和用戶指南書籍。

第 1章 自動(dòng)控制技術(shù)概述

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

1.2 高技術(shù)和新技術(shù)基本特征......................................................................................................... 1

1.3 實(shí)用自動(dòng)控制特點(diǎn)及內(nèi)容......................................................................................................... 4

1.3.1 特點(diǎn)................................................................................................................................. 4

1.3.2 內(nèi)容................................................................................................................................. 4

1.4 習(xí)題............................................................................................................................................ 8

第2 章 傳感器的結(jié)構(gòu)原理

2.1 傳感器概述................................................................................................................................ 9

2.1.1 傳感器概念...................................................................................................................... 9

2.1.2 傳感器的應(yīng)用.................................................................................................................. 9

2.2 電阻式傳感器........................................................................................................................... 10

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

2.2.2 結(jié)構(gòu)類型........................................................................................................................ 11

2.3 電感式傳感器........................................................................................................................... 14

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

2.3.2 電感式傳感器的主要形式............................................................................................ 15

2.4 電容式傳感器........................................................................................................................... 18

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

2.4.2 結(jié)構(gòu)類型........................................................................................................................ 18

2.4.3 電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)................................................................................................ 20

2.5 光電式傳感器........................................................................................................................... 20

2.5.1 光電元件........................................................................................................................ 20

2.5.2 光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例................................................................................................ 24

2.6 光纖傳感器............................................................................................................................... 26

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

2.6.2 結(jié)構(gòu)類型........................................................................................................................ 28

2.7 霍爾傳感器............................................................................................................................... 31

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

2.7.2 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu).................................................................................................... 33

2.7.3 霍爾元件的使用方法.................................................................................................... 33

2.8 溫度傳感器............................................................................................................................... 34

2.8.1 熱電偶測(cè)溫原理............................................................................................................ 36

2.8.2 熱電偶結(jié)構(gòu).................................................................................................................... 36

2.8.3 熱電偶的使用................................................................................................................ 37

2.8.4 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線........................................................................................................ 38

2.8.5 熱電偶使用注意事項(xiàng).................................................................................................... 40

2.8.6 熱電偶故障及其修復(fù)方法............................................................................................ 41

2.8.7 熱敏電阻溫度傳感器性能參數(shù).................................................................................... 41

2.8.8 集成溫度傳感器............................................................................................................ 42

2.9 氣體傳感器............................................................................................................................... 43

2.9.1 半導(dǎo)體氣體傳感器結(jié)構(gòu)................................................................................................ 43

2.9.2 應(yīng)用舉例........................................................................................................................ 44

2.10 磁性傳感器............................................................................................................................. 46

2.10.1 壓磁式傳感器.............................................................................................................. 46

2.10.2 磁電式傳感器.............................................................................................................. 49

2.11 其他形式傳感器..................................................................................................................... 52

2.11.1 渦流傳感器.................................................................................................................. 53

2.11.2 壓電式傳感器.............................................................................................................. 55

2.11.3 振弦式傳感器.............................................................................................................. 57

2.11.4 濕度傳感器.................................................................................................................. 58

2.11.5 等強(qiáng)度應(yīng)變梁傳感器.................................................................................................. 62

2.11.6 商業(yè)電子秤用傳感器.................................................................................................. 65

2.12 傳感器的現(xiàn)狀及存在問題..................................................................................................... 67

2.13 習(xí)題........................................................................................................................................ 72

第3 章 參數(shù)檢測(cè)

3.1 力參數(shù)檢測(cè)............................................................................................................................... 73

3.1.1 扭轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)................................................................................................................ 73

3.1.2 壓（拉）力檢測(cè)............................................................................................................ 83

3.1.3 張力檢測(cè)........................................................................................................................ 86

3.1.4 應(yīng)力檢測(cè)........................................................................................................................ 88

3.2 熱參數(shù)檢測(cè)............................................................................................................................... 94

3.2.1 熱敏電阻檢測(cè)法............................................................................................................ 94

3.2.2 熱電偶檢測(cè)法................................................................................................................ 96

3.3 聲參數(shù)檢測(cè)............................................................................................................................... 97

3.3.1 聲強(qiáng)測(cè)定原理................................................................................................................ 98

3.3.2 測(cè)定方法........................................................................................................................ 99

3.4 光參數(shù)檢測(cè)............................................................................................................................. 100

3.4.1 測(cè)定原理...................................................................................................................... 100

3.4.2 檢測(cè)方法...................................................................................................................... 101

3.5 電參數(shù)檢測(cè)............................................................................................................................. 103

3.5.1 直流電流和直流電壓的檢測(cè)...................................................................................... 103

3.5.2 直流電功率檢測(cè).......................................................................................................... 106

3.5.3 交流電流和交流電壓的檢測(cè)...................................................................................... 107

3.5.4 交流電功率檢測(cè).......................................................................................................... 107

3.5.5 電參數(shù)測(cè)量注意事項(xiàng).................................................................................................. 109

3.6 習(xí)題........................................................................................................................................ 110

第4 章 自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)

4.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程分析基礎(chǔ)......................................................................................................... 112

4.1.1 過渡過程及微分方程算子法...................................................................................... 112

4.1.2 結(jié)構(gòu)圖及傳遞函數(shù)...................................................................................................... 117

4.1.3 電路的導(dǎo)納阻抗及傳遞函數(shù)表示方法...................................................................... 122

4.2 常用控制系統(tǒng)的基本類型..................................................................................................... 126

4.2.1 單回路系統(tǒng).................................................................................................................. 126

4.2.2 多回路系統(tǒng).................................................................................................................. 126

4.2.3 串級(jí)系統(tǒng)...................................................................................................................... 127

4.2.4 比值系統(tǒng)...................................................................................................................... 128

4.2.5 復(fù)合系統(tǒng)...................................................................................................................... 129

4.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)......................................................................................................... 130

4.3.1 慣性環(huán)節(jié)...................................................................................................................... 130

4.3.2 比例環(huán)節(jié)...................................................................................................................... 131

4.3.3 積分環(huán)節(jié)...................................................................................................................... 132

4.3.4 滯后環(huán)節(jié)...................................................................................................................... 134

4.3.5 振蕩環(huán)節(jié)...................................................................................................................... 135

4.3.6 微分環(huán)節(jié)...................................................................................................................... 136

4.4 PID 調(diào)節(jié)器.............................................................................................................................. 137

4.4.1 比例（P）調(diào)節(jié)器........................................................................................................ 139

4.4.2 積分（I）調(diào)節(jié)器......................................................................................................... 140

4.4.3 微分（D）調(diào)節(jié)器....................................................................................................... 141

4.4.4 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器............................................................................................... 141

4.4.5 比例微分（PD）調(diào)節(jié)器............................................................................................. 144

4.4.6 比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器.................................................................................... 146

4.4.7 反饋網(wǎng)路帶有電位計(jì)的調(diào)節(jié)器及慣性環(huán)節(jié).............................................................. 151

4.5 最佳控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及校正方法......................................................................................... 157

4.5.1 評(píng)價(jià)系統(tǒng)的主要指標(biāo).................................................................................................. 157

4.5.2 二階閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最佳標(biāo)準(zhǔn).................................................................................. 158

4.5.3 三階閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最佳標(biāo)準(zhǔn).................................................................................. 159

4.5.4 二階或三階最佳標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用舉例.................................................................................. 161

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

4.6 控制系統(tǒng)常用參數(shù)（公式）圖表及符號(hào)說明..................................................................... 173

4.6.1 調(diào)節(jié)器的二階最佳與三階最佳比較.......................................................................... 173

4.6.2 電氣傳動(dòng)常用調(diào)節(jié)對(duì)象的計(jì)算.................................................................................. 174

4.6.3 常用電氣網(wǎng)路的復(fù)數(shù)阻抗.......................................................................................... 178

4.6.4 常用電子調(diào)節(jié)器的線路及特性.................................................................................. 180

4.6.5 符號(hào)說明...................................................................................................................... 183

4.7 習(xí)題........................................................................................................................................ 184

第5 章 計(jì)算機(jī)控制

5.1 結(jié)構(gòu)特性................................................................................................................................ 189

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

5.2.1 指令符號(hào)的意義.......................................................................................................... 193

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

5.3 應(yīng)用舉例................................................................................................................................ 203

5.3.1 工業(yè)順序控制.............................................................................................................. 204

5.3.2 步進(jìn)電機(jī)控制.............................................................................................................. 207

5.3.3 警報(bào)音變控制.............................................................................................................. 208

5.3.4 彩燈花樣控制.............................................................................................................. 209

5.3.5 用單片機(jī)控制測(cè)量系統(tǒng).............................................................................................. 210

5.4 習(xí)題........................................................................................................................................ 212

第6 章 接口技術(shù)

6.1 電平變換接口......................................................................................................................... 213

6.2 各類半導(dǎo)體器件間的接口..................................................................................................... 215

6.2.1 晶體管驅(qū)動(dòng)TTL 電路的接口..................................................................................... 215

6.2.2 運(yùn)算放大器與CMOS電路間的接口......................................................................... 216

6.2.3 CMOS 與TTL 的接口................................................................................................. 216

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

6.3 工業(yè)電氣設(shè)備及大負(fù)載與低壓半導(dǎo)體器件的接口............................................................. 217

6.3.1 工業(yè)電氣設(shè)備與低壓半導(dǎo)體器件的接口.................................................................. 218

6.3.2 大負(fù)載與低壓半導(dǎo)體的接口...................................................................................... 218

6.4 阻抗匹配及負(fù)荷計(jì)算............................................................................................................. 220

6.4.1 阻抗匹配實(shí)例.............................................................................................................. 220

6.4.2 負(fù)荷計(jì)算...................................................................................................................... 223

6.5 D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換及接口..................................................................................................... 224

6.5.1 D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換原理.............................................................................................. 224

6.5.2 D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器及接口...................................................................................... 225

6.6 A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換及接口..................................................................................................... 226

6.6.1 雙積分A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換原理................................................................................. 226

6.6.2 雙積分A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器及接口......................................................................... 227

6.7 微機(jī)鍵盤、顯示及通訊接口................................................................................................. 228

6.7.1 鍵盤接口...................................................................................................................... 228

6.7.2 顯示器接口.................................................................................................................. 232

6.7.3 通訊接口...................................................................................................................... 233

6.8 習(xí)題........................................................................................................................................ 235

第7 章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

7.1 顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)......................................................................................................................... 236

7.1.1 數(shù)字式.......................................................................................................................... 236

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

7.2 記錄執(zhí)行機(jī)構(gòu)......................................................................................................................... 241

7.2.1 描筆式記錄儀.............................................................................................................. 241

7.2.2 自動(dòng)平衡記錄器.......................................................................................................... 244

7.2.3 x-y 記錄器.................................................................................................................... 245

7.2.4 光線示波器.................................................................................................................. 245

7.2.5 各種記錄器的性能比較.............................................................................................. 247

7.3 電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)......................................................................................................................... 248

7.3.1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及使用...................................................................................................... 248

7.3.2 電機(jī)的選擇.................................................................................................................. 251

7.3.3 電機(jī)容量計(jì)算.............................................................................................................. 255

7.4 開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)......................................................................................................................... 257

7.4.1 接觸器.......................................................................................................................... 257

7.4.2 繼電器.......................................................................................................................... 260

7.4.3 半導(dǎo)體開關(guān)及機(jī)械開關(guān).............................................................................................. 263

7.5 習(xí)題........................................................................................................................................ 266

第8 章 整機(jī)系統(tǒng)分析

8.1 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)......................................................................................................................... 267

8.1.1 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法...................................................................................................... 268

8.1.2 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟...................................................................................................... 270

8.2 整機(jī)系統(tǒng)安裝......................................................................................................................... 270

8.2.1 老化篩選...................................................................................................................... 270

8.2.2 結(jié)構(gòu)布局...................................................................................................................... 271

8.2.3 部件安裝...................................................................................................................... 271

8.2.4 整機(jī)連接...................................................................................................................... 274

8.3 整機(jī)系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)量............................................................................................................. 276

8.3.1 調(diào)試過程中的測(cè)量...................................................................................................... 277

8.3.2 整機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試.......................................................................................................... 283

8.4 整機(jī)系統(tǒng)考核......................................................................................................................... 290

8.5 習(xí)題........................................................................................................................................ 291

附錄 A 習(xí)題參考答案....................................................................................................... 293

附錄B 幾種MCS-51單片機(jī)與其他器件的連接線路圖.................................................... 296

參考文獻(xiàn)............................................................................................................................. 301

2100433B

本書圍繞自動(dòng)控制技術(shù)的原理和應(yīng)用，主要介紹近十年來嵌入式微控制器的發(fā)展和應(yīng)用、傳感器的新技術(shù)、采用新方法設(shè)計(jì)的A/D變換器，以及可編程邏輯陣列、大型遠(yuǎn)程復(fù)雜監(jiān)控網(wǎng)的設(shè)計(jì)技術(shù)等。由于半導(dǎo)體工藝、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展和相互融合，近年來自動(dòng)控制技術(shù)的理論和應(yīng)用有了很大的發(fā)展。本書中所說的自動(dòng)控制技術(shù)，總來說是指如何進(jìn)行控制，用什么方法控制，而較少涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制理論問題。

本書的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)自動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)用性和先進(jìn)性，各章的內(nèi)容都是近年來自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)十分活躍的理論問題、技術(shù)綜述和技術(shù)詳解及其設(shè)計(jì)思想，書中結(jié)合了我們近年來最新的科研成果進(jìn)行了詳盡的闡述，使具有一定專業(yè)背景的讀者能夠在短期內(nèi)提高駕馭控制技術(shù)的水平。

本書適合于從事自動(dòng)控制技術(shù)開發(fā)研制的工程技術(shù)人員閱讀，特別適合于有一定理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的研究人員，也可以作為高等學(xué)校理工科大學(xué)生或研究生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制技術(shù)的教學(xué)用書。

本書共分16章。全書策劃、審稿由張培仁教授負(fù)責(zé)。第1章、第2章、第3章、第6章、第9章由張培仁教授親自執(zhí)筆。第5章、第14章由朱東杰老師執(zhí)筆。第8章、第10章由史久根執(zhí)筆。第7章由都改欣執(zhí)筆。第11章由劉蓬執(zhí)筆，第12章、第13章由孫占輝執(zhí)筆，第4章由徐燕執(zhí)筆，第16章由周延萍執(zhí)筆。第15章由馬云老師執(zhí)筆。

本書所有硬件實(shí)驗(yàn)由馬云老師負(fù)責(zé)。

朱東杰老師負(fù)責(zé)全書編輯、排版工作，馬云老師負(fù)責(zé)大部分文字輸入工作。

對(duì)為本書的出版有貢獻(xiàn)的黃竣、王洪波、高飛、陳智勇、王銅、羅國(guó)娟、吳岱昶等同志表示衷心的感謝！

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)范維澄副校長(zhǎng)、火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王清安教授和張和平副主任，對(duì)本書的編寫過程給予了熱情支持和指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝！

中國(guó)科技大學(xué)自動(dòng)化系博士生導(dǎo)師孫德敏教授也為本書做了指導(dǎo)性工作，并為完善CAN現(xiàn)場(chǎng)總線提供了實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

由于時(shí)間和水平有限，本書不足之處，請(qǐng)讀者諒解。