《自動控制技術與工程套用》是2013年清華大學出版社出版的圖書，作者是張洪潤 / 金偉萍 / 關懷。
基本介紹
- 書名：自動控制技術與工程套用
- 作者：張洪潤、金偉萍、關懷
- ISBN：9787302333814
- 頁數：312
- 定價：39
- 出版社：清華大學出版社
- 出版時間：2013-10
- 裝幀：平裝
內容介紹,作品目錄,
內容介紹
本書根據現代高等院校通識（公選）課程及實用自動控制技術教學大綱的要求而編寫。是一本體現機電一
體化的綜合性的技術教程。其特點在於實用，併兼顧必要的基礎。讀者用本書所介紹的原理和方法，可幫助解
決現代生產和科技中的許多實際問題。
全書較詳細地介紹各種感測器的結構原理、優缺點與使用技巧，各種參數（力、熱、聲、光、電）的檢測，
自動控制系統的基本類型、PID 調節器最佳校正方法及有關參數計算，51 單片機及套用，計算機及各類儀器儀
表、工業設備間的接口技術，顯示（數字式、螢幕式）、記錄（描筆式、光線式）、開關（半導體可控矽式、繼
電接觸器式）和電機等執行機構的選擇及使用，科研課題（工程項目）調研、立項、安裝、調試、考核、驗收
等內容。書中還配有相應的例題、習題和習題參考答案。
本書可作為高等院校通識（公選）課程教材，也可作為科學研究人員、工程技術人員、維護修理人員以及
大專院校師生及愛好者的參考用書。
作品目錄
第 1章 自動控制技術概述
1.1 引言............................................................................................................................................ 1
1.2 高技術和新技術基本特徵......................................................................................................... 1
1.3 實用自動控制特點及內容......................................................................................................... 4
1.3.1 特點................................................................................................................................. 4
1.3.2 內容................................................................................................................................. 4
1.4 習題............................................................................................................................................ 8
第2 章 感測器的結構原理
2.1 感測器概述................................................................................................................................ 9
2.1.1 感測器概念...................................................................................................................... 9
2.1.2 感測器的套用.................................................................................................................. 9
2.2 電阻式感測器........................................................................................................................... 10
2.2.1 原理............................................................................................................................... 10
2.2.2 結構類型........................................................................................................................ 11
2.3 電感式感測器........................................................................................................................... 14
2.3.1 原理............................................................................................................................... 15
2.3.2 電感式感測器的主要形式............................................................................................ 15
2.4 電容式感測器........................................................................................................................... 18
2.4.1 原理............................................................................................................................... 18
2.4.2 結構類型........................................................................................................................ 18
2.4.3 電容式感測器的優缺點................................................................................................ 20
2.5 光電式感測器........................................................................................................................... 20
2.5.1 光電元件........................................................................................................................ 20
2.5.2 光電感測器的套用實例................................................................................................ 24
2.6 光纖感測器............................................................................................................................... 26
2.6.1 工作原理........................................................................................................................ 26
2.6.2 結構類型........................................................................................................................ 28
2.7 霍爾感測器............................................................................................................................... 31
2.7.1 原理............................................................................................................................... 31
2.7.2 霍爾元件的基本結構.................................................................................................... 33
2.7.3 霍爾元件的使用方法.................................................................................................... 33
2.8 溫度感測器............................................................................................................................... 34
2.8.1 熱電偶測溫原理............................................................................................................ 36
2.8.2 熱電偶結構.................................................................................................................... 36
2.8.3 熱電偶的使用................................................................................................................ 37
2.8.4 熱電偶的補償導線........................................................................................................ 38
2.8.5 熱電偶使用注意事項.................................................................................................... 40
2.8.6 熱電偶故障及其修複方法............................................................................................ 41
2.8.7 熱敏電阻溫度感測器性能參數.................................................................................... 41
2.8.8 集成溫度感測器............................................................................................................ 42
2.9 氣體感測器............................................................................................................................... 43
2.9.1 半導體氣體感測器結構................................................................................................ 43
2.9.2 套用舉例........................................................................................................................ 44
2.10 磁性感測器............................................................................................................................. 46
2.10.1 壓磁式感測器.............................................................................................................. 46
2.10.2 磁電式感測器.............................................................................................................. 49
2.11 其他形式感測器..................................................................................................................... 52
2.11.1 渦流感測器.................................................................................................................. 53
2.11.2 壓電式感測器.............................................................................................................. 55
2.11.3 振弦式感測器.............................................................................................................. 57
2.11.4 濕度感測器.................................................................................................................. 58
2.11.5 等強度應變梁感測器.................................................................................................. 62
2.11.6 商業電子秤用感測器.................................................................................................. 65
2.12 感測器的現狀及存在問題..................................................................................................... 67
2.13 習題........................................................................................................................................ 72
第3 章 參數檢測
3.1 力參數檢測............................................................................................................................... 73
3.1.1 扭轉力矩檢測................................................................................................................ 73
3.1.2 壓（拉）力檢測............................................................................................................ 83
3.1.3 張力檢測........................................................................................................................ 86
3.1.4 應力檢測........................................................................................................................ 88
3.2 熱參數檢測............................................................................................................................... 94
3.2.1 熱敏電阻檢測法............................................................................................................ 94
3.2.2 熱電偶檢測法................................................................................................................ 96
3.3 聲參數檢測............................................................................................................................... 97
3.3.1 聲強測定原理................................................................................................................ 98
3.3.2 測定方法........................................................................................................................ 99
3.4 光參數檢測............................................................................................................................. 100
3.4.1 測定原理...................................................................................................................... 100
3.4.2 檢測方法...................................................................................................................... 101
3.5 電參數檢測............................................................................................................................. 103
3.5.1 直流電流和直流電壓的檢測...................................................................................... 103
3.5.2 直流電功率檢測.......................................................................................................... 106
3.5.3 交流電流和交流電壓的檢測...................................................................................... 107
3.5.4 交流電功率檢測.......................................................................................................... 107
3.5.5 電參數測量注意事項.................................................................................................. 109
3.6 習題........................................................................................................................................ 110
第4 章 自動控制理論基礎
4.1 系統動態過程分析基礎......................................................................................................... 112
4.1.1 過渡過程及微分方程運算元法...................................................................................... 112
4.1.2 結構圖及傳遞函式...................................................................................................... 117
4.1.3 電路的導納阻抗及傳遞函式表示方法...................................................................... 122
4.2 常用控制系統的基本類型..................................................................................................... 126
4.2.1 單迴路系統.................................................................................................................. 126
4.2.2 多迴路系統.................................................................................................................. 126
4.2.3 串級系統...................................................................................................................... 127
4.2.4 比值系統...................................................................................................................... 128
4.2.5 複合系統...................................................................................................................... 129
4.3 自動控制系統典型環節......................................................................................................... 130
4.3.1 慣性環節...................................................................................................................... 130
4.3.2 比例環節...................................................................................................................... 131
4.3.3 積分環節...................................................................................................................... 132
4.3.4 滯後環節...................................................................................................................... 134
4.3.5 振盪環節...................................................................................................................... 135
4.3.6 微分環節...................................................................................................................... 136
4.4 PID 調節器.............................................................................................................................. 137
4.4.1 比例（P）調節器........................................................................................................ 139
4.4.2 積分（I）調節器......................................................................................................... 140
4.4.3 微分（D）調節器....................................................................................................... 141
4.4.4 比例積分（PI）調節器............................................................................................... 141
4.4.5 比例微分（PD）調節器............................................................................................. 144
4.4.6 比例積分微分（PID）調節器.................................................................................... 146
4.4.7 反饋網路帶有電位計的調節器及慣性環節.............................................................. 151
4.5 最佳控制系統的標準及校正方法......................................................................................... 157
4.5.1 評價系統的主要指標.................................................................................................. 157
4.5.2 二階閉環調節系統的最佳標準.................................................................................. 158
4.5.3 三階閉環調節系統的最佳標準.................................................................................. 159
4.5.4 二階或三階最佳標準套用舉例.................................................................................. 161
4.5.5 校正方法...................................................................................................................... 171
4.6 控制系統常用參數（公式）圖表及符號說明..................................................................... 173
4.6.1 調節器的二階最佳與三階最佳比較.......................................................................... 173
4.6.2 電氣傳動常用調節對象的計算.................................................................................. 174
4.6.3 常用電氣網路的複數阻抗.......................................................................................... 178
4.6.4 常用電子調節器的線路及特性.................................................................................. 180
4.6.5 符號說明...................................................................................................................... 183
4.7 習題........................................................................................................................................ 184
第5 章 計算機控制
5.1 結構特性................................................................................................................................ 189
5.2 指令功能................................................................................................................................ 193
5.2.1 指令符號的意義.......................................................................................................... 193
5.2.2 指令及地址.................................................................................................................. 194
5.3 套用舉例................................................................................................................................ 203
5.3.1 工業順序控制.............................................................................................................. 204
5.3.2 步進電機控制.............................................................................................................. 207
5.3.3 警報音變控制.............................................................................................................. 208
5.3.4 彩燈花樣控制.............................................................................................................. 209
5.3.5 用單片機控制測量系統.............................................................................................. 210
5.4 習題........................................................................................................................................ 212
第6 章 接口技術
6.1 電平變換接口......................................................................................................................... 213
6.2 各類半導體器件間的接口..................................................................................................... 215
6.2.1 電晶體驅動TTL 電路的接口..................................................................................... 215
6.2.2 運算放大器與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 工業電氣設備及大負載與低壓半導體器件的接口............................................................. 217
6.3.1 工業電氣設備與低壓半導體器件的接口.................................................................. 218
6.3.2 大負載與低壓半導體的接口...................................................................................... 218
6.4 阻抗匹配及負荷計算............................................................................................................. 220
6.4.1 阻抗匹配實例.............................................................................................................. 220
6.4.2 負荷計算...................................................................................................................... 223
6.5 D/A（數/模）轉換及接口..................................................................................................... 224
6.5.1 D/A（數/模）轉換原理.............................................................................................. 224
6.5.2 D/A（數/模）轉換器及接口...................................................................................... 225
6.6 A/D（模/數）轉換及接口..................................................................................................... 226
6.6.1 雙積分A/D（模/數）轉換原理................................................................................. 226
6.6.2 雙積分A/D（模/數）轉換器及接口......................................................................... 227
6.7 微機鍵盤、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 習題........................................................................................................................................ 235
第7 章 執行機構
7.1 顯示執行機構......................................................................................................................... 236
7.1.1 數字式.......................................................................................................................... 236
7.1.2 螢幕式.......................................................................................................................... 240
7.2 記錄執行機構......................................................................................................................... 241
7.2.1 描筆式記錄儀.............................................................................................................. 241
7.2.2 自動平衡記錄器.......................................................................................................... 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 電機執行機構......................................................................................................................... 248
7.3.1 電機的結構及使用...................................................................................................... 248
7.3.2 電機的選擇.................................................................................................................. 251
7.3.3 電機容量計算.............................................................................................................. 255
7.4 開關執行機構......................................................................................................................... 257
7.4.1 接觸器.......................................................................................................................... 257
7.4.2 繼電器.......................................................................................................................... 260
7.4.3 半導體開關及機械開關.............................................................................................. 263
7.5 習題........................................................................................................................................ 266
第8 章 整機系統分析
8.1 整機系統設計......................................................................................................................... 267
8.1.1 整機系統設計方法...................................................................................................... 268
8.1.2 整機系統設計步驟...................................................................................................... 270
8.2 整機系統安裝......................................................................................................................... 270
8.2.1 老化篩選...................................................................................................................... 270
8.2.2 結構布局...................................................................................................................... 271
8.2.3 部件安裝...................................................................................................................... 271
8.2.4 整機連線...................................................................................................................... 274
8.3 整機系統調試和測量............................................................................................................. 276
8.3.1 調試過程中的測量...................................................................................................... 277
8.3.2 整機系統的調試.......................................................................................................... 283
8.4 整機系統考核......................................................................................................................... 290
8.5 習題........................................................................................................................................ 291
附錄 A 習題參考答案....................................................................................................... 293
附錄B 幾種MCS-51單片機與其他器件的連線線路圖.................................................... 296
參考文獻............................................................................................................................. 301
1.1 引言............................................................................................................................................ 1
1.2 高技術和新技術基本特徵......................................................................................................... 1
1.3 實用自動控制特點及內容......................................................................................................... 4
1.3.1 特點................................................................................................................................. 4
1.3.2 內容................................................................................................................................. 4
1.4 習題............................................................................................................................................ 8
第2 章 感測器的結構原理
2.1 感測器概述................................................................................................................................ 9
2.1.1 感測器概念...................................................................................................................... 9
2.1.2 感測器的套用.................................................................................................................. 9
2.2 電阻式感測器........................................................................................................................... 10
2.2.1 原理............................................................................................................................... 10
2.2.2 結構類型........................................................................................................................ 11
2.3 電感式感測器........................................................................................................................... 14
2.3.1 原理............................................................................................................................... 15
2.3.2 電感式感測器的主要形式............................................................................................ 15
2.4 電容式感測器........................................................................................................................... 18
2.4.1 原理............................................................................................................................... 18
2.4.2 結構類型........................................................................................................................ 18
2.4.3 電容式感測器的優缺點................................................................................................ 20
2.5 光電式感測器........................................................................................................................... 20
2.5.1 光電元件........................................................................................................................ 20
2.5.2 光電感測器的套用實例................................................................................................ 24
2.6 光纖感測器............................................................................................................................... 26
2.6.1 工作原理........................................................................................................................ 26
2.6.2 結構類型........................................................................................................................ 28
2.7 霍爾感測器............................................................................................................................... 31
2.7.1 原理............................................................................................................................... 31
2.7.2 霍爾元件的基本結構.................................................................................................... 33
2.7.3 霍爾元件的使用方法.................................................................................................... 33
2.8 溫度感測器............................................................................................................................... 34
2.8.1 熱電偶測溫原理............................................................................................................ 36
2.8.2 熱電偶結構.................................................................................................................... 36
2.8.3 熱電偶的使用................................................................................................................ 37
2.8.4 熱電偶的補償導線........................................................................................................ 38
2.8.5 熱電偶使用注意事項.................................................................................................... 40
2.8.6 熱電偶故障及其修複方法............................................................................................ 41
2.8.7 熱敏電阻溫度感測器性能參數.................................................................................... 41
2.8.8 集成溫度感測器............................................................................................................ 42
2.9 氣體感測器............................................................................................................................... 43
2.9.1 半導體氣體感測器結構................................................................................................ 43
2.9.2 套用舉例........................................................................................................................ 44
2.10 磁性感測器............................................................................................................................. 46
2.10.1 壓磁式感測器.............................................................................................................. 46
2.10.2 磁電式感測器.............................................................................................................. 49
2.11 其他形式感測器..................................................................................................................... 52
2.11.1 渦流感測器.................................................................................................................. 53
2.11.2 壓電式感測器.............................................................................................................. 55
2.11.3 振弦式感測器.............................................................................................................. 57
2.11.4 濕度感測器.................................................................................................................. 58
2.11.5 等強度應變梁感測器.................................................................................................. 62
2.11.6 商業電子秤用感測器.................................................................................................. 65
2.12 感測器的現狀及存在問題..................................................................................................... 67
2.13 習題........................................................................................................................................ 72
第3 章 參數檢測
3.1 力參數檢測............................................................................................................................... 73
3.1.1 扭轉力矩檢測................................................................................................................ 73
3.1.2 壓（拉）力檢測............................................................................................................ 83
3.1.3 張力檢測........................................................................................................................ 86
3.1.4 應力檢測........................................................................................................................ 88
3.2 熱參數檢測............................................................................................................................... 94
3.2.1 熱敏電阻檢測法............................................................................................................ 94
3.2.2 熱電偶檢測法................................................................................................................ 96
3.3 聲參數檢測............................................................................................................................... 97
3.3.1 聲強測定原理................................................................................................................ 98
3.3.2 測定方法........................................................................................................................ 99
3.4 光參數檢測............................................................................................................................. 100
3.4.1 測定原理...................................................................................................................... 100
3.4.2 檢測方法...................................................................................................................... 101
3.5 電參數檢測............................................................................................................................. 103
3.5.1 直流電流和直流電壓的檢測...................................................................................... 103
3.5.2 直流電功率檢測.......................................................................................................... 106
3.5.3 交流電流和交流電壓的檢測...................................................................................... 107
3.5.4 交流電功率檢測.......................................................................................................... 107
3.5.5 電參數測量注意事項.................................................................................................. 109
3.6 習題........................................................................................................................................ 110
第4 章 自動控制理論基礎
4.1 系統動態過程分析基礎......................................................................................................... 112
4.1.1 過渡過程及微分方程運算元法...................................................................................... 112
4.1.2 結構圖及傳遞函式...................................................................................................... 117
4.1.3 電路的導納阻抗及傳遞函式表示方法...................................................................... 122
4.2 常用控制系統的基本類型..................................................................................................... 126
4.2.1 單迴路系統.................................................................................................................. 126
4.2.2 多迴路系統.................................................................................................................. 126
4.2.3 串級系統...................................................................................................................... 127
4.2.4 比值系統...................................................................................................................... 128
4.2.5 複合系統...................................................................................................................... 129
4.3 自動控制系統典型環節......................................................................................................... 130
4.3.1 慣性環節...................................................................................................................... 130
4.3.2 比例環節...................................................................................................................... 131
4.3.3 積分環節...................................................................................................................... 132
4.3.4 滯後環節...................................................................................................................... 134
4.3.5 振盪環節...................................................................................................................... 135
4.3.6 微分環節...................................................................................................................... 136
4.4 PID 調節器.............................................................................................................................. 137
4.4.1 比例（P）調節器........................................................................................................ 139
4.4.2 積分（I）調節器......................................................................................................... 140
4.4.3 微分（D）調節器....................................................................................................... 141
4.4.4 比例積分（PI）調節器............................................................................................... 141
4.4.5 比例微分（PD）調節器............................................................................................. 144
4.4.6 比例積分微分（PID）調節器.................................................................................... 146
4.4.7 反饋網路帶有電位計的調節器及慣性環節.............................................................. 151
4.5 最佳控制系統的標準及校正方法......................................................................................... 157
4.5.1 評價系統的主要指標.................................................................................................. 157
4.5.2 二階閉環調節系統的最佳標準.................................................................................. 158
4.5.3 三階閉環調節系統的最佳標準.................................................................................. 159
4.5.4 二階或三階最佳標準套用舉例.................................................................................. 161
4.5.5 校正方法...................................................................................................................... 171
4.6 控制系統常用參數（公式）圖表及符號說明..................................................................... 173
4.6.1 調節器的二階最佳與三階最佳比較.......................................................................... 173
4.6.2 電氣傳動常用調節對象的計算.................................................................................. 174
4.6.3 常用電氣網路的複數阻抗.......................................................................................... 178
4.6.4 常用電子調節器的線路及特性.................................................................................. 180
4.6.5 符號說明...................................................................................................................... 183
4.7 習題........................................................................................................................................ 184
第5 章 計算機控制
5.1 結構特性................................................................................................................................ 189
5.2 指令功能................................................................................................................................ 193
5.2.1 指令符號的意義.......................................................................................................... 193
5.2.2 指令及地址.................................................................................................................. 194
5.3 套用舉例................................................................................................................................ 203
5.3.1 工業順序控制.............................................................................................................. 204
5.3.2 步進電機控制.............................................................................................................. 207
5.3.3 警報音變控制.............................................................................................................. 208
5.3.4 彩燈花樣控制.............................................................................................................. 209
5.3.5 用單片機控制測量系統.............................................................................................. 210
5.4 習題........................................................................................................................................ 212
第6 章 接口技術
6.1 電平變換接口......................................................................................................................... 213
6.2 各類半導體器件間的接口..................................................................................................... 215
6.2.1 電晶體驅動TTL 電路的接口..................................................................................... 215
6.2.2 運算放大器與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 工業電氣設備及大負載與低壓半導體器件的接口............................................................. 217
6.3.1 工業電氣設備與低壓半導體器件的接口.................................................................. 218
6.3.2 大負載與低壓半導體的接口...................................................................................... 218
6.4 阻抗匹配及負荷計算............................................................................................................. 220
6.4.1 阻抗匹配實例.............................................................................................................. 220
6.4.2 負荷計算...................................................................................................................... 223
6.5 D/A（數/模）轉換及接口..................................................................................................... 224
6.5.1 D/A（數/模）轉換原理.............................................................................................. 224
6.5.2 D/A（數/模）轉換器及接口...................................................................................... 225
6.6 A/D（模/數）轉換及接口..................................................................................................... 226
6.6.1 雙積分A/D（模/數）轉換原理................................................................................. 226
6.6.2 雙積分A/D（模/數）轉換器及接口......................................................................... 227
6.7 微機鍵盤、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 習題........................................................................................................................................ 235
第7 章 執行機構
7.1 顯示執行機構......................................................................................................................... 236
7.1.1 數字式.......................................................................................................................... 236
7.1.2 螢幕式.......................................................................................................................... 240
7.2 記錄執行機構......................................................................................................................... 241
7.2.1 描筆式記錄儀.............................................................................................................. 241
7.2.2 自動平衡記錄器.......................................................................................................... 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 電機執行機構......................................................................................................................... 248
7.3.1 電機的結構及使用...................................................................................................... 248
7.3.2 電機的選擇.................................................................................................................. 251
7.3.3 電機容量計算.............................................................................................................. 255
7.4 開關執行機構......................................................................................................................... 257
7.4.1 接觸器.......................................................................................................................... 257
7.4.2 繼電器.......................................................................................................................... 260
7.4.3 半導體開關及機械開關.............................................................................................. 263
7.5 習題........................................................................................................................................ 266
第8 章 整機系統分析
8.1 整機系統設計......................................................................................................................... 267
8.1.1 整機系統設計方法...................................................................................................... 268
8.1.2 整機系統設計步驟...................................................................................................... 270
8.2 整機系統安裝......................................................................................................................... 270
8.2.1 老化篩選...................................................................................................................... 270
8.2.2 結構布局...................................................................................................................... 271
8.2.3 部件安裝...................................................................................................................... 271
8.2.4 整機連線...................................................................................................................... 274
8.3 整機系統調試和測量............................................................................................................. 276
8.3.1 調試過程中的測量...................................................................................................... 277
8.3.2 整機系統的調試.......................................................................................................... 283
8.4 整機系統考核......................................................................................................................... 290
8.5 習題........................................................................................................................................ 291
附錄 A 習題參考答案....................................................................................................... 293
附錄B 幾種MCS-51單片機與其他器件的連線線路圖.................................................... 296
參考文獻............................................................................................................................. 301
