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第1章　控制系统概述1

1.1　控制系统1

1.1.1　概述和背景1

1.1.2　开环控制系统3

1.1.3　闭环控制系统4

1.1.4　传递函数5

1.2　模拟和数字控制器8

1.3　控制系统的分类9

1.3.1　过程控制9

1.3.2　运动控制13

第2章　基于微处理器控制的介绍18

2.1　微处理器系统硬件概述19

2.2　微处理器工作原理22

2.3　微处理器控制器的接口连接23

2.3.1　并行接口23

2.3.2　串行接口29

2.4　控制器的编程32

2.5　基于微处理器的控制器33

2.5.1　单片机（微控制器）33

2.5.2　单板计算机35

2.5.3　数字“面板安装”控制器面板36

2.5.4　可编程逻辑控制器36

2.5.5　PC机在控制系统中的应用36

第3章　运算放大器和信号调节41

3.1　运算放大器42

3.1.1　简介42

3.1.2　电压跟随器46

3.1.3　反相放大器49

3.1.4　同相放大器50

3.1.5　加法器52

3.1.6　差分放大器和仪器放大器54

3.1.7　积分器和微分器57

3.1.8　分贝（db）59

3.1.9　有源滤波器61

3.1.10　比较器63

3.2　专用接口电路65

3.2.1　电流环（电压-电流转换器）66

3.2.2　模拟开关电路68

3.2.3　采样保持电路70

3.3　信号传输71

3.3.1　接大地和接地环路71

3.3.2　隔离电路73

3.3.3　屏蔽75

3.3.4　屏蔽接地需要考虑的事项76

3.3.5　实际配线需要考虑的事项77

第4章　开关、继电器及功率控制半导体器件85

4.1　开关85

4.1. 1　拨动开关85

4.1.2　按钮式开关87

4.1.3　其他开关类型88

4.2　继电器91

4.2.1　机电继电器91

4.2.2　固态继电器94

4.3　功率晶体管95

4.3.1　双极型晶体管95

4.3.2　场效应管102

4.3.3　绝缘栅双极型晶体管104

4.4　可控硅整流器106

4.5　双向晶闸管111

4.5.1　延迟和导通周期的计算114

4.6　触发器件115

4.6.1　单结晶体管115

4.6.2　可编程单结晶体管115

4.6.3　二端交流开关元件116

第5章　机械系统121

5.1　机械零部件的力学性能122

5.1.1　总论122

5.1.2　摩擦122

5.1.3　弹簧125

5.1.4　质量和惯性127

5.1.5　线性运动系统的基本运动方程129

5.1.6　旋转运动系统的基本运动公式132

5.1.7　杠杆134

5.2　能量137

5.2.1　能量转换137

5.2.2　热传导139

5.3　整个机械系统的响应141

5.3.1　欠阻尼、临界阻尼和过阻尼机械系统141

5.3.2　机械共振143

5.4　齿轮146

5.4.1　直齿轮146

5.4.2　使用齿轮传动改变转速148

5.4.3　使用齿轮传递功率152

5.4.4　长距离轮系154

5.4.5　蜗轮蜗杆传动154

5.4.6　谐波齿轮传动155

5.4.7　差速齿轮系156

5.5　离合器和制动器156

5.5.1　离合器156

5.5.2　制动器157

5.6　其他动力传递技术159

5.6.1　带传动159

5.6.2　滚子链162

第6章　传感器167

6.1　位置传感器168

6.1.1　电位计168

6.1.2　光学旋转编码器176

6.1.3　线性可变差动变压器182

6.2　角速度传感器184

6.2.1　采用位置传感器获得速度184

6.2.2　转速表186

6.3　接近式传感器189

6.3.1　限位开关189

6.3.2　光学接近传感器190

6.3.3　商用光电传感器191

6.3.4　超声波接近传感器194

6.3.5　电感式接近传感器195

6.3.6　霍尔效应接近传感器196

6.4　负荷和力传感器198

6.4.1　粘贴丝式应变器198

6.4.2　半导体压力传感器202

6.4.3　其他力传感器203

6.5　压力传感器204

6.5.1　波登管205

6.5.2　膜盒205

6.5.3　半导体压力传感器206

6.6　温度传感器207

6.6.1　双金属温度传感器207

6.6.2　热电偶207

6.6.3　热电阻检测器211

6.6.4　热敏电阻211

6.6.5　集成温度传感器212

6.7　流量传感器215

6.7.1　压力型流量传感器215

6.7.2　涡流流量传感器217

6.7.3　超声波流量计217

6.7.4　电磁流量计218

6.8　液位传感器219

6.8.1　离散液位检测器219

6.8.2　连续液位检测器219

6.9　视频传感器及系统221

6.9.1　工业用视频传感器系统224

第7章　直流电动机230

7.1　工作原理230

7.2　绕线式直流电动机234

7.2.1　串励电动机235

7.2.2　并励电动机237

7.2.3　复励电动机238

7.3　永磁电动机239

7.3.1　转矩与转速的关系240

7.3.2　电动机的电路模型（可选）244

7.4　直流电动机控制电路245

7.4.1　直流电动机控制的模拟驱动246

7.4.2　永磁电动机的双向旋转248

7.4.3　直流电动机的脉宽调制251

7.4.4　PWM控制电路253

7.4.5　大型电动机的直流电机控制255

7.4.6　直流电动机制动258

7.5　小型直流电动机的综合应用259

7.6　无电刷直流电动机261

第8章　步进电动机267

8.1　永磁式步进电动机268

8.1.1　负载对步进电机的影响268

8.1.2　工作模式270

8.1.3　永磁式步进电动机的励磁模式272

8.1.4　四相（单极）步进电动机274

8.1.5　有效的永磁步进电动机277

8.2　变磁阻式步进电动机277

8.3　混合式步进电动机278

8.4　步进电动机的控制电路280

8.4.1　控制两相步进电动机281

8.4.2　控制四相步进电动机282

8.4.3　微步步进284

8.4.4　高步进速率情况下改进转矩284

8.5　步进电动机的应用：磁盘驱动头的定位287

第9章　交流电动机292

9.1　交流电源293

9.1.1　背景293

9.1.2　单相交流电293

9.1.3　三相交流电295

9.1.4　电气安全296

9.1.5　接地故障断路器298

9.2　感应电动机299

9.2.1　工作原理299

9.2.2　单相电动机304

9.2.3　三相电动机306

9.2.4　裂相控制电动机307

9.2.5　交流伺服电动机308

9.3　同步电动机309

9.3.1　工作原理309

9.3.2　功率因数校正和同步电动机310

9.3.3　小型同步电动机310

9.4　通用电动机311

9.5　交流电动机控制312

9.5.1　启停控制312

9.5.2　微动314

9.5.3　降压启动315

9.5.4　电动机的变速控制316

9.5.5　变频（V/Hz）驱动316

9.5.6　矢量驱动318

第10章　执行机构：电动、液压和气动执行机构322

10.1　电动线性执行机构323

10.1.1　丝杠线性执行机构323

10.1.2　螺线管325

10.1.3　直线电机327

10.2　液压系统330

10.2.1　液压的基本原理331

10.2.2　液压泵333

10.2.3　液压执行元件334

10.2.4　压力控制阀336

10.2.5　蓄能器337

10.2.6　方向控制阀338

10.3　气压系统340

10.3.1　压缩机、干燥器和储气罐341

10.3.2　调压阀342

10.3.3　气动控制阀343

10.3.4　气动执行机构343

10.4　流量控制阀345

第11章　反馈控制原理349

11.1　性能指标351

11.2　开关控制器352

11.2.1　双位控制352

11.2.2　三位控制353

11.3　比例控制354

11.3.1　稳态误差问题357

11.3.2　重力问题359

11.3.3　偏差361

11.3.4　模拟比例控制器362

11.4　积分控制363

11.5　微分控制366

11.6 比例＋积分＋微分控制368

11.6.1　模拟PID控制器369

11.6.2　数字PID控制器371

11.6.3　稳定性372

11.6.4　PID控制器整定376

11.6.5　采样率380

11.6.6 自整定381

11.7　串级控制381

11.8　PIP控制器382

11.9　模糊逻辑控制器384

11.9.1　介绍384

11.9.2　单输入系统的例子386

11.9.3　双输入系统的例子388

11.9.4　结束语390

第12章　继电器逻辑、可编程逻辑控制器和运动控制器396

12.1　继电器逻辑控制397

12.1.1　继电器逻辑397

12.1.2　梯形图398

12.1.3　定时器、计数器和序列发生器401

12.2　可编程逻辑控制器404

12.2.1　简介404

12.2.2　PLC设置步骤408

12.2.3　PLC的运行过程408

12.3 PLC的编程411

12.3.1　梯形图编程411

12.3.2　其他PLC编程语言424

12.4 PLC和网络425

12.5　运动控制器429

附录A　J型热电偶表格（华氏和摄氏温度）436

附录B APS开始学习指南和RS Logix 500439

附录C　术语表459

附录D　奇数练习题的答案484