出版社:清华大学出版社
出版日期:2013-10
ISBN:9787302333814
作者:张洪润,金伟萍,关怀
页数:312页
作者简介
本书根据现代高等院校通识（公选）课程及实用自动控制技术教学大纲的要求而编写。是一本体现机电一
体化的综合性的技术教程。其特点在于实用，并兼顾必要的基础。读者用本书所介绍的原理和方法，可帮助解
决现代生产和科技中的许多实际问题。
全书较详细地介绍各种传感器的结构原理、优缺点与使用技巧，各种参数（力、热、声、光、电）的检测，
自动控制系统的基本类型、PID 调节器最佳校正方法及有关参数计算，51 单片机及应用，计算机及各类仪器仪
表、工业设备间的接口技术，显示（数字式、屏幕式）、记录（描笔式、光线式）、开关（半导体可控硅式、继
电接触器式）和电机等执行机构的选择及使用，科研课题（工程项目）调研、立项、安装、调试、考核、验收
等内容。书中还配有相应的例题、习题和习题参考答案。
本书可作为高等院校通识（公选）课程教材，也可作为科学研究人员、工程技术人员、维护修理人员以及
大专院校师生及爱好者的参考用书。
书籍目录
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