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控制器件(第二版)

中国水利水电出版社
    【作 者】邹逢兴 主编 【I S B N 】978-7-5084-8723-6 【责任编辑】张玉玲 【适用读者群】本科 【出版时间】2011-08-15 【开 本】16开 【装帧信息】平装(光膜) 【版 次】第2版第3次印刷 【页 数】260 【千字数】420 【印 张】16.25 【定 价】29 【丛 书】普通高等教育“十一五”国家级规划教材 【备注信息】
图书详情

    本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材,是在原来编著的新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材《控制器件》的基础上修订而成的。

    本书第1章概略性介绍控制器件的基本概念、主要分类、发展动态、涉及的知识结构、本课程的特点及学习方法,接着分执行机构、传感器和应用三大篇系统介绍自动控制系统中常用控制器件的工作原理、基本特性、使用方法和应用举例。执行机构篇包括直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、液压伺服系统和其他执行机构5章内容;传感器篇包括位置与速度传感器、力与惯性传感器、环境传感器3章内容;应用篇专列一章,以车床数控改造、机床工作台液压驱动系统和步行机器人行走机构为实例,介绍控制器件的应用选型。

    本书可作为机电控制和自动化类各专业本科生的教材或教学参考书,也可供从事相关方面工程技术工作的科技人员参考借鉴。

    本书配有电子教案,读者可以从中国水利水电出版社网站和万水书苑免费下载,网址为:http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.wsbookshow.com。

    总结最新教学、科研实践经验体会,内容上做了充实和调整。

    调整内容组织结构,先讲执行机构再讲传感器,并力求强化它们与控制系统的联系。

    修改充实实例,注重不同原理的各种执行机构与传感器分析中的共性问题,以及与后续自动控制原理等课程内容的衔接。

    第二版前言

    “控制器件”是机电控制和自动化类专业一门十分重要的核心专业基础课,其涵盖的范围一般应包括各类执行机构和传感器。但目前流行的教材多分成了电机学(或控制电机)、传感器技术、液压控制系统(或液压与气动装置)三种,给课程教学带来了诸多不便。此外,按这种思路编写的教材,固然可以做到主题鲜明、内容翔实、原理深入,但综合应用方面却相对欠缺。因此,在以往的控制器件课程教学中,经常为教材选择犯愁,往往只能以选择控制电机方面的教材为主,再以参考书和补充讲义的形式来弥补教材内容的不系统。

    正是基于这个原因,我们早在“十五”期间就作为新世纪电子信息与自动化系列课程改革教材之一(杨益强、李长虹、江明明编写)由中国水利水电出版社出版了本书第一版,集常用的传感器和执行机构(包括液压传动系统)于一书,力求以较少的学时数,使学生建立控制器件较完整的概念,尽量扩大知识面,满足大多数实际应用的参考需要。

    本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材,是在第一版基础上修订而成的。修订时,根据近年来的教学、科研实践经验体会,在内容上做了充实和调整;同时,考虑到控制系统中必不可少的控制器件不是传感器而是执行机构,传感器只是在被控量为非电模拟量的反馈控制系统中才是必需,因此为了突出“控制器件”的控制特征,在内容组织结构上也做了调整,变成先讲执行机构后讲传感器,并力求强化它们与控制系统的联系。

    本书除第1章绪论外,分为执行机构篇、传感器篇和应用篇三大部分,系统介绍自动控制系统中常用控制器件的工作原理、基本特性、使用方法和应用举例。第1章概略性介绍控制器件的基本概念、主要分类、发展动态、涉及的知识结构、本课程的特点及学习方法;第2~6章为执行机构篇,分别介绍直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、液压驱动系统和其他执行机构;第7~9章为传感器篇,分别介绍位置与速度传感器、力与惯性传感器、环境传感器;第10章为应用篇,通过3个具体的应用实例,说明自动控制系统的设计思想,以及在设计控制系统时如何恰当地选用控制器件。

    按本书实施课程教学时以40学时为宜。建议的课时安排如下:第1章2学时,第2章6学时,第3章6学时,第4章2学时,第5章4学时,第6章2学时,第7章4学时,第8章6学时,第9章2学时,第10章2学时,以及4个学时的课内实验(建议外加8~12学时的配套课外实验)。

    本书由吴文启改编并统稿,根据邹逢兴教授的意见,对全书的体系结构和内容选取做了调整,强化了执行机构,增加了各种执行机构的传递函数模型及各种传感器的测量误差模型等相关内容,增加了基于运动控制执行机构和运动状态传感器的应用背景案例,对应用篇中的实例进行了修改充实,注重不同原理的各种执行机构与传感器分析中的共性问题,以及与后续“自动控制原理”等课程内容的衔接。

    在本书编写过程中,作者借鉴了参考文献中所列书目的思想和图例,谨对相关作者表示衷心的感谢。同时,感谢刘少克、吴智勇、庹洲慧等同志对本书第一版提出了修改意见,感谢马宏绪教授提供了机器人应用方面的控制器件相关资料。

    尽管本书是作者单位多年来教学、科研实践体验的结晶,但由于作者水平有限,书中难免存在不当之处,欢迎广大读者批评指正。

    作 者

    2011年6月

    第一版前言

    《控制器件》是范围很广的一门课程,目前流行的教材一般分成了电机学或控制电机、传感器技术、液压控制系统或液压与气动三种,给课程教学带来了许多不便。此外,分成三门课程,涉及的内容原理较为深入,但应用方面相对欠缺。在以往的控制器件教学中,经常为教材选择犯愁,往往只能选择控制电机方面的教材为主,再以参考书和补充讲义的形式,来弥补教材内容的不系统。

    正是基于这个原因,我们编写了这本书,旨在较系统全面地介绍自动控制系统中常用的传感器和执行机构,包括液压传动系统,力求以较少的学时,使学员建立控制器件的较完整概念,尽量扩大学员的知识面,满足大多数实际应用的参考需要。为此,本书除了第1章绪论外,分为传感器篇、执行机构篇和应用篇三大部分。第2章至第6章为传感器篇,分别介绍了位置传感器、力与惯性传感器、环境参数传感器、特殊传感器和测速发电机;第7章至第11章为执行机构篇,分别介绍了直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机、液压驱动系统和其他执行机构;第12章为应用篇,通过三个具体的应用实例,来说明自动控制系统的设计思想,以及在设计控制系统时如何选用适当的控制器件。

    本课程以40学时为宜,建议的课时安排如下:第1章2学时,第2章4学时,第3章4学时,第4章2学时,第5章2学时,第6章4学时,第7章4学时,第8章6学时,第9章4学时,第10章和第11章6学时,第12章2学时。按照上面建议的讲课安排,第2章时间偏少,可以考虑讲完绪论后介绍一部分第2章的内容。如果按照36学时讲授,则建议不讲第10章,而第2章改为6学时。

    本书由杨益强(编写第1至6章并统稿)、李长虹(编写第7至9章)和江明明(编写第10至12章)编写。邹逢兴教授为本书的体系结构和内容选取提供了宝贵的指志意见,在此深表谢意。在本书的编写过程中,借鉴了参考文献中的思想和图例,谨对有关作者表示衷心的感谢。此外,还要感谢刘少克、吴智勇、庹洲慧等同志对本书提出的修改意见,感谢出版社相关同志为本书付出的辛勤劳动。

    尽管本书淀积了多年的教学体验,但由于作者水平有限,难免存在不当之处,欢迎大家批评指正。

    编著者

    2005年7月

    目 录
    总序
    第二版前言
    第一版前言

    第1章 绪论 1
    1.1 自动控制系统与控制器件 2
    1.1.1 自动控制系统 2
    1.1.2 控制器件的基本概念 2
    1.1.3 控制器件涉及的知识结构 3
    1.2 执行机构概述 4
    1.2.1 执行机构的定义和分类 4
    1.2.2 运动控制执行机构 4
    1.2.3 现代执行机构的发展 4
    1.3 传感器概述 5
    1.3.1 传感器定义及分类 5
    1.3.2 运动控制传感器 5
    1.3.3 环境传感器 6
    1.3.4 现代传感器发展动态 6
    1.4 控制器件的特性与选用 7
    1.4.1 传感器的特性 7
    1.4.2 执行机构的特性 11
    1.4.3 执行机构的选用 12
    1.4.4 传感器的选用 12
    1.5 控制器件在典型运动控制系统中的应用 13
    1.5.1 机器人 13
    1.5.2 无人自主车 13
    1.5.3 无人飞行器 14
    1.5.4 微小卫星 14
    1.6 本书的主要内容及学习方法 15
    1.6.1 本书的主要内容 15
    1.6.2 本课程的特点 15
    1.6.3 本课程的学习方法 16
    本章小结 17
    思考题与习题 17

    执行机构篇

    第2章 直流伺服电动机 19
    2.1 直流伺服电动机的原理和结构 20
    2.1.1 直流伺服电动机的工作原理 20
    2.1.2 直流伺服电动机的结构 20
    2.2 直流伺服电动机的稳态特性 23
    2.2.1 直流伺服电动机的稳态基本关系式 23
    2.2.2 直流伺服电动机的机械特性 26
    2.2.3 调节特性 28
    2.3 直流伺服电动机的动态特性 29
    2.3.1 直流伺服电动机的动态基本关系式 29
    2.3.2 直流伺服电动机的过渡过程与
    过渡特性 30
    2.3.3 直流伺服电动机的传递函数与
    方框图 33
    2.4 直流伺服电动机的控制方法 35
    2.4.1 直流伺服电动机的启动 35
    2.4.2 直流伺服电动机的励磁方式 35
    2.4.3 直流伺服电动机的调速 37
    2.4.4 直流伺服电动机的制动 37
    2.4.5 直流伺服电动机的工作状态 37
    2.4.6 影响直流伺服电动机性能的因素 39
    2.5 直流伺服电动机的性能指标 39
    2.5.1 额定电压 39
    2.5.2 额定电流 39
    2.5.3 额定功率 40
    2.5.4 额定转速 40
    2.5.5 定额 40
    2.5.6 额定输出力矩 40
    2.6 直流伺服电动机在运动控制中的应用 40
    2.6.1 转速控制 41
    2.6.2 位置控制 41
    2.6.3 力矩控制 42
    2.6.4 直流伺服电动机的选用 43
    本章小结 43
    思考题与习题 43
    第3章 交流伺服电动机 45
    3.1 交流伺服电动机的原理和结构 46
    3.1.1 交流伺服电动机的基本工作原理 46
    3.1.2 交流伺服电动机的结构 46
    3.2 两相绕组的圆形旋转磁场 48
    3.2.1 对称两相绕组的圆形旋转磁场 48
    3.2.2 旋转磁场的转动方向 49
    3.2.3 旋转磁场的转速 50
    3.2.4 产生圆形旋转磁场的条件 51
    3.3 圆形旋转磁场运行分析 51
    3.3.1 转速与转差率 52
    3.3.2 电压平衡方程式 52
    3.3.3 磁势平衡方程式 54
    3.3.4 电磁力矩 54
    3.3.5 机械特性 56
    3.4 椭圆形旋转磁场运行分析 57
    3.4.1 椭圆形旋转磁场的产生 57
    3.4.2 椭圆形旋转磁场的分解 59
    3.4.3 椭圆形旋转磁场的机械特性 59
    3.5 交流伺服电动机的控制 60
    3.5.1 转速控制与调节特性 60
    3.5.2 相位控制方法 62
    3.5.3 起动和停转控制 64
    3.5.4 交流伺服电动机的传递函数 65
    3.6 交流伺服电动机的性能指标 66
    3.6.1 额定电压 66
    3.6.2 频率 66
    3.6.3 堵转电流和堵转力矩 66
    3.6.4 额定输出功率、额定输出力矩和
    额定转速 66
    3.6.5 空载始动电压 66
    3.6.6 非线性度 66
    3.6.7 机电时间常数 67
    3.7 变频调速技术简介 68
    3.7.1 变频调速原理 68
    3.7.2 变频技术 69
    3.7.3 变频调速控制 70
    3.7.4 变频调速交流电动机的传递函数 71
    3.8 交流伺服电动机在运动控制中的应用 71
    本章小结 72
    思考题与习题 72
    第4章 步进电动机 75
    4.1 步进电动机的结构和原理 76
    4.1.1 步进电动机的结构 76
    4.1.2 步进电动机的工作原理 76
    4.1.3 转速和步距角 78
    4.2 步进电动机的工作特性 78
    4.2.1 力矩特性 79
    4.2.2 单步运行和静态特性 81
    4.2.3 连续运行和动态特性 82
    4.2.4 步进电动机的传递函数 83
    4.2.5 步进电动机的起动和调速 85
    4.3 步进电动机的主要性能指标 85
    4.3.1 步距角和静态步距角误差 85
    4.3.2 最大静力矩 85
    4.3.3 起动频率和起动矩频特性 85
    4.3.4 运行频率和运行矩频特性 86
    4.3.5 额定电流和额定电压 86
    4.4 步进电动机的使用 86
    4.4.1 步进电动机驱动器 86
    4.4.2 步距角的细分 86
    4.4.3 实用控制方案 88
    4.4.4 步进电动机在运动控制中的应用 89
    本章小结 89
    思考题与习题 90
    第5章 液压驱动系统 91
    5.1 液压驱动系统基本原理 92
    5.1.1 液压驱动系统的特点 92
    5.1.2 液压传动相关理论 92
    5.1.3 液压传动系统基本原理 95
    5.2 液压控制元件 96
    5.2.1 液压泵 96
    5.2.2 液压缸 98
    5.2.3 液压阀 100
    5.2.4 辅助装置 106
    5.3 常用液压控制回路原理 108
    5.3.1 压力控制回路 109
    5.3.2 速度控制回路 112
    5.3.3 方向控制回路 115
    5.3.4 多缸控制回路 115
    5.4 液压驱动系统设计方法 116
    5.4.1 液压系统工作状况分析 117
    5.4.2 液压驱动系统的总体设计 117
    5.4.3 液压控制元件的选取 118
    5.4.4 液压驱动系统的性能验算 118
    5.5 液压驱动系统的传递函数 119
    5.6 液压驱动系统在运动控制中的应用 120
    本章小结 120
    思考题与习题 121
    第6章 其他执行机构简介 123
    6.1 其他电动机与电磁类执行机构 124
    6.1.1 无刷直流电动机 124
    6.1.2 开关磁阻电动机 124
    6.1.3 交流同步电动机 125
    6.1.4 直线电动机 126
    6.1.5 电磁铁 126
    6.1.6 电磁离合器 127
    6.2 液压(气动)马达和膜片式驱动装置 127
    6.2.1 液压(气动)马达 127
    6.2.2 膜片式驱动机构 128
    6.3 静电执行机构 128
    6.3.1 静电电动机 128
    6.3.2 静电微泵 129
    6.4 惯性执行机构——飞轮 129
    6.5 基于材料物理特性的执行机构 130
    6.5.1 磁致伸缩驱动器 130
    6.5.2 压电驱动器 130
    6.5.3 超声波电动机 130
    6.5.4 形状记忆合金驱动器 131
    本章小结 131
    思考题与习题 132

    传感器篇

    第7章 位置与速度传感器 133
    7.1 电阻式位置传感器 134
    7.1.1 线性电位器 134
    7.1.2 函数电位器 135
    7.1.3 环形电位器 135
    7.2 电容式位置传感器 136
    7.2.1 电容式位置传感器的原理和应用 136
    7.2.2 电容值的读取方法 138
    7.3 感应式位置传感器 141
    7.3.1 自整角机 141
    7.3.2 旋转变压器 144
    7.3.3 感应同步器 149
    7.3.4 其他感应式位置传感器 150
    7.4 磁敏式位置传感器 153
    7.4.1 干簧管 153
    7.4.2 霍尔元件 154
    7.4.3 磁敏电阻 157
    7.4.4 磁敏二极管和磁敏三极管 159
    7.5 光电式位置传感器 162
    7.5.1 光电池 162
    7.5.2 光敏电阻 163
    7.5.3 光敏二极管和光敏三极管 164
    7.5.4 光栅传感器 164
    7.5.5 光电码盘 167
    7.6 直流测速发电机 168
    7.6.1 直流测速发电机的工作原理
    和结构 168
    7.6.2 直流测速发电机的特性 169
    7.6.3 直流测速发电机误差分析 172
    7.6.4 直流测速发电机的性能指标 176
    7.7 交流测速发电机 177
    7.7.1 交流测速发电机的结构和
    工作原理 178
    7.7.2 交流测速发电机的主要性能指标 178
    7.7.3 交流测速发电机的应用 180
    本章小结 181
    思考题与习题 183
    第8章 力与惯性传感器 185
    8.1 力传感器 186
    8.1.1 力-位移转换装置 186
    8.1.2 压电式传感器 187
    8.1.3 压频式传感器 190
    8.2 加速度表 191
    8.2.1 加速度表基本原理 191
    8.2.2 液浮摆式加速度表 191
    8.2.3 挠性加速度表 192
    8.2.4 硅微加速度表 193
    8.2.5 加速度表误差模型 194
    8.3 陀螺仪 195
    8.3.1 陀螺仪基本特性 195
    8.3.2 机械框架式陀螺仪 196
    8.3.3 挠性陀螺仪 198
    8.3.4 光学陀螺仪 200
    8.3.5 硅微陀螺 204
    8.3.6 陀螺误差模型 204
    8.3.7 陀螺仪的应用 204
    本章小结 208
    思考题与习题 209
    第9章 环境传感器 211
    9.1 温度传感器 212
    9.1.1 双金属片 212
    9.1.2 热电阻 212
    9.1.3 热电偶 213
    9.1.4 热敏电阻 215
    9.1.5 热敏二极管和热敏三极管 215
    9.2 湿度传感器 217
    9.2.1 湿度的概念 217
    9.2.2 电解质式湿度传感器 217
    9.2.3 半导体陶瓷湿度传感器 218
    9.2.4 高分子湿度传感器 218
    9.2.5 湿敏二极管和湿敏MOS场效应管 219
    9.2.6 湿度传感器的使用注意事项 220
    9.3 气敏传感器 221
    9.3.1 固态气敏传感器 221
    9.3.2 液态气敏传感器 223
    9.3.3 光学气敏传感器 223
    9.4 颜色与图像传感器 223
    9.4.1 色敏光电传感器 223
    9.4.2 光固态图像传感器 224
    9.5 辐射和声传感器 227
    9.5.1 红外辐射传感器 227
    9.5.2 声音传感器 227
    9.5.3 超声波传感器 228
    9.6 新型传感器 229
    9.6.1 光纤传感器 229
    9.6.2 激光探测器 230
    9.6.3 生物分子传感器 231
    9.6.4 智能传感器 232
    本章小结 233
    思考题与习题 234

    应用篇

    第10章 控制器件应用选型实例 235
    10.1 车床数控改造 236
    10.1.1 总体方案 236
    10.1.2 控制器件参数计算与选型 236
    10.2 机床工作台液压驱动系统 237
    10.2.1 工况分析和参数计算 237
    10.2.2 液压控制回路设计 239
    10.2.3 液压元件选取 239
    10.2.4 液压系统性能验算 240
    10.3 步行机器人行走机构 241
    10.3.1 总体方案 241
    10.3.2 功率和转动力矩 242
    10.3.3 电流和电压 243
    10.3.4 电动机和负载的惯量匹配 243
    本章小结 244
    思考题与习题 244
    参考文献 245
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