自动控制技术及应用

第1章自动控制的基本概念

1.1自动控制简况

1.2开环控制与闭环控制

1.3控制系统的组成及性能要求

1.4控制系统示例

第2章系统的传递函数与方块图

2.1系统的微分方程

2.2开环系统的传递函数

2.3闭环系统的传递函数

2.4传递函数与方块图示例

第3章时域分析法

3.1系统的稳定性

3.2一阶系统的阶跃响应

3.3二阶系统的阶跃响应

3.4高阶系统的阶跃响应

3.5系统动态特性示例

3.6系统稳态误差的概念

3.7系统稳态误差的计算

第4章频率特性法

4.1频率特性的概念

4.2典型环节的对数频率特性

4.3开环系统对数频率特性曲线的绘制

4.4对数奈氏稳定判据与相对稳定性

4.5频域性能指标

第5章PID控制

5.1PⅢ控制规律及实现装置

5.2二阶工程设计法

5.3三阶工程设计法

5.4按期望对数幅频特性进行串联校正的设计

5.5按期望对数幅频特性进行并联校正的设计

5.6电力拖动系统控制

5.7水泥生料质量控制

第6章控制系统的基本元件

6.1控制元件的作用

6.2测量元件（传感器）

6.3功率放大元件

6.4执行元件

第7章状态空间法

7.1矩阵代数

7.2状态空间法的基本概念

7.3状态方程与输出方程的建立

7.4系统状态的运动

7.5系统的能控性与能观测性

7.6状态反馈控制

7.7极点配置法

7.8倒立摆系统的设计

7.9二次型最优法

7.10导弹制导规律的确定

7.11电液位置控制系统

第8章计算机控制的基础理论

8.1计算机控制系统概述

8.2计算机控制系统结构

8.3信号的采样与复现

8.4Z变换

8.5脉冲传递函数

8.6闭环采样系统的阶跃响应

8.7离散系统的稳定性与稳态误差

8.8离散系统的状态空间描述

8.9离散系统的能控性与能观测性

第9章计算机控制的设计与实现

9.1数字控制器的模拟化设计

9.2数字肿控制器设计

9.3离散状态反馈设计

9.4数字控制器算法编排实现

9.5采样周期的确定

9.6温度控制系统的设计

9.7位置伺服控制系统的设计

9.8天线抛物面控制系统的设计

9.9退火炉温鏖控制

9.10锅炉工艺参数控制

附录思考、回答与讨论

参考文献

本书内容包括自动控制的基本概念、系统的传递函数与方块图、时域分析法、频率特性法、PID控制、控制系统的基本元件、状态空间法、计算机控制的基础理论、计算机控制的设计与实现及附录。

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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

2100433B

本书围绕自动控制技术的原理和应用，主要介绍近十年来嵌入式微控制器的发展和应用、传感器的新技术、采用新方法设计的A/D变换器，以及可编程逻辑阵列、大型远程复杂监控网的设计技术等。由于半导体工艺、通信技术、计算机技术、自动控制技术的飞速发展和相互融合，近年来自动控制技术的理论和应用有了很大的发展。本书中所说的自动控制技术，总来说是指如何进行控制，用什么方法控制，而较少涉及自动控制系统中的控制理论问题。

本书的特点是强调自动控制技术的实用性和先进性，各章的内容都是近年来自动控制技术领域表现十分活跃的理论问题、技术综述和技术详解及其设计思想，书中结合了我们近年来最新的科研成果进行了详尽的阐述，使具有一定专业背景的读者能够在短期内提高驾驭控制技术的水平。

本书适合于从事自动控制技术开发研制的工程技术人员阅读，特别适合于有一定理论和实践经验的研究人员，也可以作为高等学校理工科大学生或研究生学习自动控制技术的教学用书。

本书共分16章。全书策划、审稿由张培仁教授负责。第1章、第2章、第3章、第6章、第9章由张培仁教授亲自执笔。第5章、第14章由朱东杰老师执笔。第8章、第10章由史久根执笔。第7章由都改欣执笔。第11章由刘蓬执笔，第12章、第13章由孙占辉执笔，第4章由徐燕执笔，第16章由周延萍执笔。第15章由马云老师执笔。

本书所有硬件实验由马云老师负责。

朱东杰老师负责全书编辑、排版工作，马云老师负责大部分文字输入工作。

对为本书的出版有贡献的黄竣、王洪波、高飞、陈智勇、王铜、罗国娟、吴岱昶等同志表示衷心的感谢！

中国科学技术大学范维澄副校长、火灾科学国家重点实验室王清安教授和张和平副主任，对本书的编写过程给予了热情支持和指导，在此表示衷心的感谢！

中国科技大学自动化系博士生导师孙德敏教授也为本书做了指导性工作，并为完善CAN现场总线提供了实验室和实验设备。

由于时间和水平有限，本书不足之处，请读者谅解。