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课程导入 走进机电设备控制系统与检测技术 1

0.1 检测系统概述 1

0.1.1 测量的基本概念及方法 2

0.1.2 测量误差及数据处理 3

0.1.3 传感器及其基本特性 10

0.2 控制系统概述 12

0.2.1 自动控制系统的组成和术语 13

0.2.2 自动控制系统的分类 15

0.2.3 自动控制系统示例 18

0.2.4 对自动控制系统的基本要求 22

上篇 控制系统 27

项目1 自动控制系统概论 27

1.1 引言 27

1.2 自动控制简史 28

1.2.1 经典控制理论 28

1.2.2 现代控制理论 28

1.2.3 开环控制系统与闭环控制系统 28

项目2 控制系统的数学模型 30

2.1 控制系统的微分方程 30

2.1.1 控制系统的微分方程的建立 31

2.1.2 控制系统的微分方程的求解 33

2.2 传递函数 34

2.2.1 传递函数的定义 34

2.2.2 传递函数的求取 35

2.2.3 传递函数的性质 36

2.3 控制系统的动态结构图 37

2.3.1 动态结构图的组成与画法 37

2.3.2 动态结构图的等效变换及化简 40

2.3.3 用公式法求取传递函数 44

2.4 典型环节的数学模型及阶跃响应 46

2.4.1 典型环节的数学模型 46

2.4.2 典型环节的传递函数及阶跃响应 50

2.5 自动控制系统的传递函数 53

小结 56

习题 57

项目3 控制系统的时域分析法 59

3.1 概述 59

3.1.1 典型输入信号及其时间响应 59

3.1.2 阶跃响应的性能指标 62

3.2 系统稳定性分析 64

3.2.1 系统稳定性的概念 64

3.2.2 线性系统稳定的充分必要条件 65

3.2.3 系统稳定性的代数判据 65

3.3 一阶系统动态性能分析 68

3.3.1 一阶系统的数学模型 68

3.3.2 一阶系统动态性能的时域分析 69

3.4 二阶系统动态性能分析 71

3.4.1 二阶系统的数学模型 71

3.4.2 二阶系统的稳定性分析 71

3.4.3 二阶系统动态性能的时域分析 74

3.5 稳态性能的时域分析 75

3.5.1 系统误差与稳态误差 76

3.5.2 稳态误差的计算 77

小结 80

习题 81

项目4 控制系统的频域分析法 83

4.1 频率特性的概念 83

4.1.1 频率特性的基本概念 83

4.1.2 频率特性与传递函数的关系 84

4.1.3 频率特性的性质 85

4.2 典型环节的伯德图 85

4.2.1 比例环节 85

4.2.2 积分环节 86

4.2.3 微分环节 87

4.2.4 惯性环节 87

4.2.5 比例微分环节 89

4.2.6 振荡环节 89

4.2.7 一阶不稳定环节 91

4.2.8 最小相位系统的概念 91

4.3 系统开环对数频率特性曲线的绘制 94

4.3.1 系统开环对数频率特性曲线绘制的一般步骤 95

4.3.2 系统开环对数频率特性曲线绘制举例 95

4.4 系统稳定性的频域分析 100

4.4.1 对数频率稳定判据 100

4.4.2 稳定裕量 102

4.5 动态性能的频域分析 104

4.5.1 三频段的概念 104

4.5.2 典型系统 107

小结 109

习题 110

项目5 自动控制系统的校正 113

5.1 常用校正装置 113

5.1.1 无源校正装置 113

5.1.2 有源校正装置 114

5.2 串联校正 115

5.2.1 串联比例校正 115

5.2.2 串联比例微分校正 117

5.2.3 串联比例积分校正 118

5.2.4 串联比例积分微分校正 119

5.3 反馈校正 121

5.4 前馈控制的概念 123

5.5 自动控制系统的一般设计方法 125

5.5.1 自动控制系统设计的基本步骤 125

5.5.2 系统固有部分开环频率特性的简化处理 125

5.5.3 系统预期开环对数频率特性的确定 127

小结 128

习题 129

项目6 直流调速系统 130

6.1 直流调速系统概述 130

6.1.1 直流调速系统的基本概念 130

6.1.2 直流调速方式 131

6.1.3 晶闸管直流调速系统的开环机械特性 133

6.1.4 直流调速系统的主要性能指标 134

6.2 单闭环直流调速系统 137

6.2.1 单闭环转速有静差调速系统 137

6.2.2 单闭环转速无静差调速系统 144

6.2.3 单闭环直流调速系统的限流保护（电流截止负反馈） 150

6.2.4 其他单闭环调速系统 154

6.3 双闭环无静差直流调速系统 158

6.3.1 最佳过渡过程的基本概念 158

6.3.2 转速电流双闭环直流调速系统的组成 159

6.3.3 双闭环直流调速系统的静特性分析 160

6.3.4 双闭环调速系统的起动过程 161

6.3.5 双闭环直流调速系统的典型参数计算 164

6.4 可逆直流调速系统 164

6.4.1 可逆运行的基本知识 165

6.4.2 可逆系统的工作状态 167

6.4.3 可逆直流调速系统中的环流分析 168

6.4.4 逻辑无环流可逆调速系统 169

小结 173

习题 174

项目7 直流脉宽调速系统 176

7.1 直流脉宽调制电路的工作原理 177

7.1.1 不可逆PWM变换器 177

7.1.2 可逆PWM变换器 177

7.2 脉宽调速系统的控制电路 180

7.2.1 直流脉宽调制器 181

7.2.2 逻辑延时电路 182

7.2.3 基极驱动器和保护电路 182

7.2.4 由PWM集成芯片组成的直流脉宽调速系统 184

7.2.5 由单片机控制的直流脉宽调制调速系统 186

小结 188

习题 188

下篇 检测技术 191

项目8 滚柱直径分选系统 191

8.1 项目概况 191

8.2 设计方案 191

8.3 项目运行及调试 193

8.4 知识链接 195

8.4.1 自感传感器 195

8.4.2 差动变压器 198

8.5 技能训练 201

8.5.1 差动变压器性能测试训练 201

8.5.2 激励频率对差动变压器特性的影响测试 203

8.5.3 差动变压器零点残余电压补偿测试 204

8.5.4 振动测量训练 205

习题 206

项目9 超声检测控制系统 208

9.1 项目概况 208

9.2 项目设计方案 209

9.3 项目运行及调试 212

9.4 知识链接 213

9.4.1 超声波物理基础 214

9.4.2 超声波换能器及耦合技术 217

9.4.3 超声波传感器的应用 220

9.4.4 无损探伤 224

9.5 超声波传感器测距技能训练 227

习题 228

项目10 水位温度远程控制系统 232

10.1 项目概况 232

10.2 项目设计方案 232

10.3 项目运行及调试 233

10.4 知识链接 236

10.4.1 温度检测方法及仪表 236

10.4.2 半导体热敏电阻传感器 239

10.4.3 金属热电阻传感器 241

10.4.4 热电偶传感器 244

10.4.5 集成温度传感器 248

10.4.6 物位传感器 250

10.5 技能训练 255

10.5.1 集成温度传感器的特性测试 255

10.5.2 热电阻测温特性测试 258

10.5.3 热电偶测温特性测试 259

10.5.4 热电偶冷端温度补偿测试 260

习题 261

项目11 压力检测控制系统 262

11.1 项目概况 262

11.2 项目设计方案 263

11.3 项目运行及调试 264

11.4 知识链接 271

11.4.1 压力传感器概述 271

11.4.2 应变式压力传感器 275

11.4.3 压阻式压力传感器 277

11.4.4 压电式压力传感器 279

11.5 技能训练 284

11.5.1 金属箔式应变片——单臂电桥性能测试 284

11.5.2 金属箔式应变片——半桥性能测试 286

11.5.3 压电式压力传感器振动测试训练 287

习题 288

项目12 电容式检测控制系统 291

12.1 项目概况 291

12.2 项目设计方案 292

12.3 项目运行及调试 293

12.4 知识链接 296

12.4.1 电容传感器的工作原理及结构形式 297

12.4.2 电容传感器的测量转换电路 301

12.4.3 电容传感器的应用 303

12.4.4 压力、液位和流量的测量 308

12.5 技能训练 311

12.5.1 电容式传感器的位移测试 311

12.5.2 电容传感器动态特性测试 313

习题 314

项目13 抗干扰系统 318

13.1 项目概况 318

13.2 项目设计方案 319

13.3 项目运行及调试 323

13.4 知识链接 325

13.4.1 噪声及防护 325

13.4.2 检测技术中的电磁兼容原理 328

13.4.3 几种电磁兼容控制技术 335

习题 350

主要参考文献 353