第一篇 控制系统基础篇 3
第1章 绪论 3
1.1 自动控制系统的组成 3
1.1.1 物理量 3
1.1.2 系统结构 3
1.2 自动控制系统的分类 4
1.2.1 按输入信号的特征分类 5
1.2.2 按信号传输过程是否连续分类 5
1.2.3 按系统构成元件是否线性分类 6
1.2.4 按系统参数是否随时间变化分类 6
1.3 自动控制系统举例 6
1.3.1 速度给定控制系统 6
1.3.2 导弹发射架方位随动控制系统 8
1.3.3 玻璃窑炉的温度控制系统 8
1.4 自动控制系统的发展历史 9
思考题 10
第2章 自动控制系统基础 11
2.1 工程常用的检测元件 11
2.1.1 控制式自整角机 11
2.1.2 直流测速发电机 12
2.1.3 光电编码器 13
2.1.4 电流检测 15
2.1.5 温度检测与变送 17
2.1.6 压力检测与变送 20
2.1.7 流量检测 22
2.1.8 物位检测 23
2.1.9 氧量计 23
2.2 功率驱动装置 25
2.2.1 晶闸管相控整流器 25
2.2.2 PWM变换器 27
2.3 常用执行机构 31
2.3.1 调节阀 32
2.3.2 电动机的机械特性 36
2.4 调节器 39
2.4.1 比例控制作用对控制品质的影响 39
2.4.2 积分控制作用对控制品质的影响 41
2.4.3 微分控制作用对控制品质的影响 42
思考题 43
第二篇 运动控制篇 47
第3章 单闭环直流电机调速控制系统 47
3.1 晶闸管相控整流器驱动的调速系统 47
3.2 直流脉宽调制变换器驱动的调速系统 52
3.3 单闭环直流调速系统的稳态分析和设计 57
3.3.1 系统稳态分析 57
3.3.2 稳态性能指标 59
3.3.3 稳态参数设计 60
3.3.4 单闭环系统的电流截止负反馈 62
3.4 单闭环直流调速系统的动态数学模型 63
3.4.1 额定励磁下的直流电动机动态数学模型 63
3.4.2 功率驱动装置的动态数学模型 65
3.4.3 单闭环直流调速系统固有部分的动态数学模型 66
3.5 比例积分控制规律及调节器的设计 66
3.5.1 比例控制规律 66
3.5.2 积分控制规律 67
3.5.3 比例积分控制规律 68
3.5.4 比例积分控制器的设计 68
思考题 72
第4章 转速和电流双闭环直流调速系统 72
4.1 双闭环系统的组成原理 73
4.2 双闭环系统的数学模型和性能分析 73
4.3 双闭环系统的稳态设计 75
4.3.1 电流环的稳态参数设计 75
4.3.2 电流环以外各环节的稳态参数设计 76
4.4 按工程设计方法校正双闭环控制系统 76
4.5 直流调速系统的仿真 81
4.5.1 建立仿真模型 81
4.5.2 电流环仿真 84
4.5.3 转速环仿真 86
思考题 88
第5章 交流调速系统概述 90
5.1 交流调速的技术难点和突破 90
5.1.1 变频调速的技术难点 90
5.1.2 变频调速的技术突破 91
5.2 交流调速的方法 91
5.2.1 异步电动机调速的方法 91
5.2.2 同步电动机调速的方法 98
5.3 交流调速的主要应用领域 98
思考题 99
第6章 异步电动机变压变频调速系统 100
6.1 变频调速的基本控制方式 100
6.2 变频调速中的PWM控制技术 101
6.2.1 电压SPWM控制 101
6.2.2 电流SPWM控制 106
6.2.3 电压空间矢量PWM控制 107
6.3 恒压频比控制变频调速系统 115
6.3.1 电压频率协调控制时的机械特性 115
6.3.2 恒压频比控制变频调速系统 120
6.4 转差频率控制变频调速系统 128
6.5 异步电动机的数学模型 131
6.5.1 三相异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型 132
6.5.2 坐标变换 136
6.5.3 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 140
6.6 矢量控制变频调速系统 147
6.6.1 矢量控制的基本思想 147
6.6.2 矢量控制的基本方程式 148
6.6.3 矢量控制变频调速系统 148
6.6.4 转子磁链观测模型 150
6.6.5 基于DSP实现的矢量控制调速系统 152
6.7 直接转矩控制变频调速系统 156
6.7.1 电压空间矢量对电磁转矩的影响 157
6.7.2 直接转矩控制的基本结构 158
6.7.3 圆形磁链轨迹直接转矩控制变频调速系统 160
6.7.4 定子磁链观测模型 162
6.7.5 基于单片机实现的直接转矩控制系统 165
思考题 169
第7章 随动控制系统 170
7.1 位置随动系统的构成及工作原理 170
7.2 自整角机位置随动系统的数学模型 173
7.3 位置随动系统的稳态分析 174
7.4 位置随动控制系统的动态校正 175
7.4.1 随动系统的并联校正 176
7.4.2 随动系统的串联校正 177
思考题 178
第三篇 过程控制篇 181
第8章 过程控制系统的组成与特点 181
8.1 过程控制的特点 181
8.2 过程控制系统的组成 182
8.3 过程控制系统的性能指标 184
思考题 186
第9章 生产过程的动态特性 187
9.1 单容过程的动态特性 187
9.1.1 无纯延迟单容过程 187
9.1.2 容量、阻力与纯延迟 189
9.2 多容过程的动态特性 193
9.3 过程数学模型的辨识 195
9.3.1 由阶跃响应确定传递函数 195
9.3.2 由脉冲响应计算阶跃响应 200
9.3.3 相关统计法获得脉冲响应 202
思考题 202
第10章 简单过程控制系统 206
10.1 被控量与调节量的选择 206
10.1.1 被控量的选择 206
10.1.2 调节量的选择 207
10.2 检测变送器 213
10.3 调节阀的流量特性 214
10.3.1 调节阀的流量系数 214
10.3.2 调节阀的流量特性 219
10.4 调节器的选型与参数整定 224
10.4.1 调节器的选型 224
10.4.2 调节器正、反作用的选择 224
10.4.3 积分饱和与防止 225
10.5 调节器的参数整定 226
10.5.1 调节器参数整定的基本要求 226
10.5.2 参数整定的理论方法——衰减频率特性法 228
10.5.3 参数整定的工程整定法 232
思考题 236
第11章 提高控制品质的控制系统 238
11.1 串级控制系统 238
11.1.1 串级控制系统的组成 238
11.1.2 串级控制系统的特性分析 240
11.1.3 串级控制系统的设计 245
11.1.4 调节器的选型和整定方法 248
11.2 前馈控制系统 249
11.2.1 前馈控制的原理 249
11.2.2 静态前馈控制器 251
11.2.3 动态前馈控制器 252
11.2.4 前馈-反馈控制 254
11.3 大延迟系统的补偿控制 256
11.3.1 常规PID控制 256
11.3.2 史密斯预估补偿器 257
思考题 258
第12章 实现特定要求的过程控制系统12.1 比值控制系统 260
12.1.1 比值系统的基本概念 260
12.1.2 比值系数的计算 261
12.1.3 比值系统的参数整定 262
12.1.4 常见比值控制系统 263
12.2 选择性控制系统 264
12.2.1 选择性控制系统的基本概念 264
12.2.2 选择性控制系统的类型 265
12.3 分程控制系统 267
12.3.1 概述 267
12.3.2 分程控制系统的设计 267
12.4 多变量解耦控制系统 268
12.4.1 多变量过程及其耦合 268
12.4.2 相对增益 269
12.4.3 耦合系统的变量匹配 273
12.4.4 解耦控制系统的设计 275
思考题 279
第13章 计算机过程控制系统 281
13.1 分布式计算机控制系统 281
13.1.1 DCS的组成及特点 281
13.1.2 DCS的分层体系结构 285
13.1.3 DCS的系统组态 285
13.1.4 DCS的数据通信网络 286
13.1.5 DCS的数据通信 288
13.2 可编程控制器在过程控制中的应用 289
13.2.1 PLC的特点 289
13.2.2 PLC在过程控制中的应用实例 290
13.3 现场总线控制系统 294
13.3.1 现场总线的概念 294
13.3.2 现场总线的通信模型 296
13.3.3 几种典型现场总线协议标准 298
13.3.4 现场总线控制系统的结构与特点 303
思考题 304
第14章 过程控制系统应用 305
14.1 制冷与加热温度控制系统 305
14.1.1 制冷与加热原理 305
14.1.2 温度控制系统组成 306
14.1.3 温度控制方案 306
14.2 火力发电厂单元机组锅炉水位控制系统 307
14.2.1 单元机组的生产过程 307
14.2.2 锅炉汽包水位的控制要求 308
14.2.3 锅炉汽包的动态特性 309
14.2.4 给水串级三冲量控制系统 310
14.3 泵和压缩机的自动控制 311
14.3.1 泵的控制 311
14.3.2 压缩机的控制 313
思考题 314