總結(jié)最新教學(xué)、科研實踐經(jīng)驗體會，內(nèi)容上做了充實和調(diào)整。

調(diào)整內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)，先講執(zhí)行機構(gòu)再講傳感器，并力求強化它們與控制系統(tǒng)的聯(lián)系。

修改充實實例，注重不同原理的各種執(zhí)行機構(gòu)與傳感器分析中的共性問題，以及與后續(xù)自動控制原理等課程內(nèi)容的銜接。

第二版前言

“控制器件”是機電控制和自動化類專業(yè)一門十分重要的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，其涵蓋的范圍一般應(yīng)包括各類執(zhí)行機構(gòu)和傳感器。但目前流行的教材多分成了電機學(xué)（或控制電機）、傳感器技術(shù)、液壓控制系統(tǒng)（或液壓與氣動裝置）三種，給課程教學(xué)帶來了諸多不便。此外，按這種思路編寫的教材，固然可以做到主題鮮明、內(nèi)容翔實、原理深入，但綜合應(yīng)用方面卻相對欠缺。因此，在以往的控制器件課程教學(xué)中，經(jīng)常為教材選擇犯愁，往往只能以選擇控制電機方面的教材為主，再以參考書和補充講義的形式來彌補教材內(nèi)容的不系統(tǒng)。

正是基于這個原因，我們早在“十五”期間就作為新世紀(jì)電子信息與自動化系列課程改革教材之一（楊益強、李長虹、江明明編寫）由中國水利水電出版社出版了本書第一版，集常用的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)（包括液壓傳動系統(tǒng)）于一書，力求以較少的學(xué)時數(shù)，使學(xué)生建立控制器件較完整的概念，盡量擴大知識面，滿足大多數(shù)實際應(yīng)用的參考需要。

本書是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，是在第一版基礎(chǔ)上修訂而成的。修訂時，根據(jù)近年來的教學(xué)、科研實踐經(jīng)驗體會，在內(nèi)容上做了充實和調(diào)整；同時，考慮到控制系統(tǒng)中必不可少的控制器件不是傳感器而是執(zhí)行機構(gòu)，傳感器只是在被控量為非電模擬量的反饋控制系統(tǒng)中才是必需，因此為了突出“控制器件”的控制特征，在內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)上也做了調(diào)整，變成先講執(zhí)行機構(gòu)后講傳感器，并力求強化它們與控制系統(tǒng)的聯(lián)系。

本書除第1章緒論外，分為執(zhí)行機構(gòu)篇、傳感器篇和應(yīng)用篇三大部分，系統(tǒng)介紹自動控制系統(tǒng)中常用控制器件的工作原理、基本特性、使用方法和應(yīng)用舉例。第1章概略性介紹控制器件的基本概念、主要分類、發(fā)展動態(tài)、涉及的知識結(jié)構(gòu)、本課程的特點及學(xué)習(xí)方法；第2～6章為執(zhí)行機構(gòu)篇，分別介紹直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進(jìn)電動機、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和其他執(zhí)行機構(gòu)；第7～9章為傳感器篇，分別介紹位置與速度傳感器、力與慣性傳感器、環(huán)境傳感器；第10章為應(yīng)用篇，通過3個具體的應(yīng)用實例，說明自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，以及在設(shè)計控制系統(tǒng)時如何恰當(dāng)?shù)剡x用控制器件。

按本書實施課程教學(xué)時以40學(xué)時為宜。建議的課時安排如下：第1章2學(xué)時，第2章6學(xué)時，第3章6學(xué)時，第4章2學(xué)時，第5章4學(xué)時，第6章2學(xué)時，第7章4學(xué)時，第8章6學(xué)時，第9章2學(xué)時，第10章2學(xué)時，以及4個學(xué)時的課內(nèi)實驗（建議外加8～12學(xué)時的配套課外實驗）。

本書由吳文啟改編并統(tǒng)稿，根據(jù)鄒逢興教授的意見，對全書的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容選取做了調(diào)整，強化了執(zhí)行機構(gòu)，增加了各種執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù)模型及各種傳感器的測量誤差模型等相關(guān)內(nèi)容，增加了基于運動控制執(zhí)行機構(gòu)和運動狀態(tài)傳感器的應(yīng)用背景案例，對應(yīng)用篇中的實例進(jìn)行了修改充實，注重不同原理的各種執(zhí)行機構(gòu)與傳感器分析中的共性問題，以及與后續(xù)“自動控制原理”等課程內(nèi)容的銜接。

在本書編寫過程中，作者借鑒了參考文獻(xiàn)中所列書目的思想和圖例，謹(jǐn)對相關(guān)作者表示衷心的感謝。同時，感謝劉少克、吳智勇、庹洲慧等同志對本書第一版提出了修改意見，感謝馬宏緒教授提供了機器人應(yīng)用方面的控制器件相關(guān)資料。

盡管本書是作者單位多年來教學(xué)、科研實踐體驗的結(jié)晶，但由于作者水平有限，書中難免存在不當(dāng)之處，歡迎廣大讀者批評指正。

作 者

2011年6月

第一版前言

《控制器件》是范圍很廣的一門課程，目前流行的教材一般分成了電機學(xué)或控制電機、傳感器技術(shù)、液壓控制系統(tǒng)或液壓與氣動三種，給課程教學(xué)帶來了許多不便。此外，分成三門課程，涉及的內(nèi)容原理較為深入，但應(yīng)用方面相對欠缺。在以往的控制器件教學(xué)中，經(jīng)常為教材選擇犯愁，往往只能選擇控制電機方面的教材為主，再以參考書和補充講義的形式，來彌補教材內(nèi)容的不系統(tǒng)。

正是基于這個原因，我們編寫了這本書，旨在較系統(tǒng)全面地介紹自動控制系統(tǒng)中常用的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，包括液壓傳動系統(tǒng)，力求以較少的學(xué)時，使學(xué)員建立控制器件的較完整概念，盡量擴大學(xué)員的知識面，滿足大多數(shù)實際應(yīng)用的參考需要。為此，本書除了第1章緒論外，分為傳感器篇、執(zhí)行機構(gòu)篇和應(yīng)用篇三大部分。第2章至第6章為傳感器篇，分別介紹了位置傳感器、力與慣性傳感器、環(huán)境參數(shù)傳感器、特殊傳感器和測速發(fā)電機；第7章至第11章為執(zhí)行機構(gòu)篇，分別介紹了直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進(jìn)電動機、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和其他執(zhí)行機構(gòu)；第12章為應(yīng)用篇，通過三個具體的應(yīng)用實例，來說明自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，以及在設(shè)計控制系統(tǒng)時如何選用適當(dāng)?shù)目刂破骷��?/p>

本課程以40學(xué)時為宜，建議的課時安排如下：第1章2學(xué)時，第2章4學(xué)時，第3章4學(xué)時，第4章2學(xué)時，第5章2學(xué)時，第6章4學(xué)時，第7章4學(xué)時，第8章6學(xué)時，第9章4學(xué)時，第10章和第11章6學(xué)時，第12章2學(xué)時。按照上面建議的講課安排，第2章時間偏少，可以考慮講完緒論后介紹一部分第2章的內(nèi)容。如果按照36學(xué)時講授，則建議不講第10章，而第2章改為6學(xué)時。

本書由楊益強（編寫第1至6章并統(tǒng)稿）、李長虹（編寫第7至9章）和江明明（編寫第10至12章）編寫。鄒逢興教授為本書的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容選取提供了寶貴的指志意見，在此深表謝意。在本書的編寫過程中，借鑒了參考文獻(xiàn)中的思想和圖例，謹(jǐn)對有關(guān)作者表示衷心的感謝。此外，還要感謝劉少克、吳智勇、庹洲慧等同志對本書提出的修改意見，感謝出版社相關(guān)同志為本書付出的辛勤勞動。

盡管本書淀積了多年的教學(xué)體驗，但由于作者水平有限，難免存在不當(dāng)之處，歡迎大家批評指正。

編著者

2005年7月

目 錄
總序
第二版前言
第一版前言

第1章 緒論 1
1.1 自動控制系統(tǒng)與控制器件 2
1.1.1 自動控制系統(tǒng) 2
1.1.2 控制器件的基本概念 2
1.1.3 控制器件涉及的知識結(jié)構(gòu) 3
1.2 執(zhí)行機構(gòu)概述 4
1.2.1 執(zhí)行機構(gòu)的定義和分類 4
1.2.2 運動控制執(zhí)行機構(gòu) 4
1.2.3 現(xiàn)代執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展 4
1.3 傳感器概述 5
1.3.1 傳感器定義及分類 5
1.3.2 運動控制傳感器 5
1.3.3 環(huán)境傳感器 6
1.3.4 現(xiàn)代傳感器發(fā)展動態(tài) 6
1.4 控制器件的特性與選用 7
1.4.1 傳感器的特性 7
1.4.2 執(zhí)行機構(gòu)的特性 11
1.4.3 執(zhí)行機構(gòu)的選用 12
1.4.4 傳感器的選用 12
1.5 控制器件在典型運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 13
1.5.1 機器人 13
1.5.2 無人自主車 13
1.5.3 無人飛行器 14
1.5.4 微小衛(wèi)星 14
1.6 本書的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法 15
1.6.1 本書的主要內(nèi)容 15
1.6.2 本課程的特點 15
1.6.3 本課程的學(xué)習(xí)方法 16
本章小結(jié) 17
思考題與習(xí)題 17

執(zhí)行機構(gòu)篇

第2章 直流伺服電動機 19
2.1 直流伺服電動機的原理和結(jié)構(gòu) 20
2.1.1 直流伺服電動機的工作原理 20
2.1.2 直流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 20
2.2 直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性 23
2.2.1 直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)基本關(guān)系式 23
2.2.2 直流伺服電動機的機械特性 26
2.2.3 調(diào)節(jié)特性 28
2.3 直流伺服電動機的動態(tài)特性 29
2.3.1 直流伺服電動機的動態(tài)基本關(guān)系式 29
2.3.2 直流伺服電動機的過渡過程與
過渡特性 30
2.3.3 直流伺服電動機的傳遞函數(shù)與
方框圖 33
2.4 直流伺服電動機的控制方法 35
2.4.1 直流伺服電動機的啟動 35
2.4.2 直流伺服電動機的勵磁方式 35
2.4.3 直流伺服電動機的調(diào)速 37
2.4.4 直流伺服電動機的制動 37
2.4.5 直流伺服電動機的工作狀態(tài) 37
2.4.6 影響直流伺服電動機性能的因素 39
2.5 直流伺服電動機的性能指標(biāo) 39
2.5.1 額定電壓 39
2.5.2 額定電流 39
2.5.3 額定功率 40
2.5.4 額定轉(zhuǎn)速 40
2.5.5 定額 40
2.5.6 額定輸出力矩 40
2.6 直流伺服電動機在運動控制中的應(yīng)用 40
2.6.1 轉(zhuǎn)速控制 41
2.6.2 位置控制 41
2.6.3 力矩控制 42
2.6.4 直流伺服電動機的選用 43
本章小結(jié) 43
思考題與習(xí)題 43
第3章 交流伺服電動機 45
3.1 交流伺服電動機的原理和結(jié)構(gòu) 46
3.1.1 交流伺服電動機的基本工作原理 46
3.1.2 交流伺服電動機的結(jié)構(gòu) 46
3.2 兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場 48
3.2.1 對稱兩相繞組的圓形旋轉(zhuǎn)磁場 48
3.2.2 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動方向 49
3.2.3 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 50
3.2.4 產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件 51
3.3 圓形旋轉(zhuǎn)磁場運行分析 51
3.3.1 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率 52
3.3.2 電壓平衡方程式 52
3.3.3 磁勢平衡方程式 54
3.3.4 電磁力矩 54
3.3.5 機械特性 56
3.4 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場運行分析 57
3.4.1 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 57
3.4.2 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的分解 59
3.4.3 橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的機械特性 59
3.5 交流伺服電動機的控制 60
3.5.1 轉(zhuǎn)速控制與調(diào)節(jié)特性 60
3.5.2 相位控制方法 62
3.5.3 起動和停轉(zhuǎn)控制 64
3.5.4 交流伺服電動機的傳遞函數(shù) 65
3.6 交流伺服電動機的性能指標(biāo) 66
3.6.1 額定電壓 66
3.6.2 頻率 66
3.6.3 堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)力矩 66
3.6.4 額定輸出功率、額定輸出力矩和
額定轉(zhuǎn)速 66
3.6.5 空載始動電壓 66
3.6.6 非線性度 66
3.6.7 機電時間常數(shù) 67
3.7 變頻調(diào)速技術(shù)簡介 68
3.7.1 變頻調(diào)速原理 68
3.7.2 變頻技術(shù) 69
3.7.3 變頻調(diào)速控制 70
3.7.4 變頻調(diào)速交流電動機的傳遞函數(shù) 71
3.8 交流伺服電動機在運動控制中的應(yīng)用 71
本章小結(jié) 72
思考題與習(xí)題 72
第4章 步進(jìn)電動機 75
4.1 步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)和原理 76
4.1.1 步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu) 76
4.1.2 步進(jìn)電動機的工作原理 76
4.1.3 轉(zhuǎn)速和步距角 78
4.2 步進(jìn)電動機的工作特性 78
4.2.1 力矩特性 79
4.2.2 單步運行和靜態(tài)特性 81
4.2.3 連續(xù)運行和動態(tài)特性 82
4.2.4 步進(jìn)電動機的傳遞函數(shù) 83
4.2.5 步進(jìn)電動機的起動和調(diào)速 85
4.3 步進(jìn)電動機的主要性能指標(biāo) 85
4.3.1 步距角和靜態(tài)步距角誤差 85
4.3.2 最大靜力矩 85
4.3.3 起動頻率和起動矩頻特性 85
4.3.4 運行頻率和運行矩頻特性 86
4.3.5 額定電流和額定電壓 86
4.4 步進(jìn)電動機的使用 86
4.4.1 步進(jìn)電動機驅(qū)動器 86
4.4.2 步距角的細(xì)分 86
4.4.3 實用控制方案 88
4.4.4 步進(jìn)電動機在運動控制中的應(yīng)用 89
本章小結(jié) 89
思考題與習(xí)題 90
第5章 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 91
5.1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)基本原理 92
5.1.1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點 92
5.1.2 液壓傳動相關(guān)理論 92
5.1.3 液壓傳動系統(tǒng)基本原理 95
5.2 液壓控制元件 96
5.2.1 液壓泵 96
5.2.2 液壓缸 98
5.2.3 液壓閥 100
5.2.4 輔助裝置 106
5.3 常用液壓控制回路原理 108
5.3.1 壓力控制回路 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 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方法 116
5.4.1 液壓系統(tǒng)工作狀況分析 117
5.4.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的總體設(shè)計 117
5.4.3 液壓控制元件的選取 118
5.4.4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的性能驗算 118
5.5 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 119
5.6 液壓驅(qū)動系統(tǒng)在運動控制中的應(yīng)用 120
本章小結(jié) 120
思考題與習(xí)題 121
第6章 其他執(zhí)行機構(gòu)簡介 123
6.1 其他電動機與電磁類執(zhí)行機構(gòu) 124
6.1.1 無刷直流電動機 124
6.1.2 開關(guān)磁阻電動機 124
6.1.3 交流同步電動機 125
6.1.4 直線電動機 126
6.1.5 電磁鐵 126
6.1.6 電磁離合器 127
6.2 液壓（氣動）馬達(dá)和膜片式驅(qū)動裝置 127
6.2.1 液壓（氣動）馬達(dá) 127
6.2.2 膜片式驅(qū)動機構(gòu) 128
6.3 靜電執(zhí)行機構(gòu) 128
6.3.1 靜電電動機 128
6.3.2 靜電微泵 129
6.4 慣性執(zhí)行機構(gòu)——飛輪 129
6.5 基于材料物理特性的執(zhí)行機構(gòu) 130
6.5.1 磁致伸縮驅(qū)動器 130
6.5.2 壓電驅(qū)動器 130
6.5.3 超聲波電動機 130
6.5.4 形狀記憶合金驅(qū)動器 131
本章小結(jié) 131
思考題與習(xí)題 132

傳感器篇

第7章 位置與速度傳感器 133
7.1 電阻式位置傳感器 134
7.1.1 線性電位器 134
7.1.2 函數(shù)電位器 135
7.1.3 環(huán)形電位器 135
7.2 電容式位置傳感器 136
7.2.1 電容式位置傳感器的原理和應(yīng)用 136
7.2.2 電容值的讀取方法 138
7.3 感應(yīng)式位置傳感器 141
7.3.1 自整角機 141
7.3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器 144
7.3.3 感應(yīng)同步器 149
7.3.4 其他感應(yīng)式位置傳感器 150
7.4 磁敏式位置傳感器 153
7.4.1 干簧管 153
7.4.2 霍爾元件 154
7.4.3 磁敏電阻 157
7.4.4 磁敏二極管和磁敏三極管 159
7.5 光電式位置傳感器 162
7.5.1 光電池 162
7.5.2 光敏電阻 163
7.5.3 光敏二極管和光敏三極管 164
7.5.4 光柵傳感器 164
7.5.5 光電碼盤 167
7.6 直流測速發(fā)電機 168
7.6.1 直流測速發(fā)電機的工作原理
和結(jié)構(gòu) 168
7.6.2 直流測速發(fā)電機的特性 169
7.6.3 直流測速發(fā)電機誤差分析 172
7.6.4 直流測速發(fā)電機的性能指標(biāo) 176
7.7 交流測速發(fā)電機 177
7.7.1 交流測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和
工作原理 178
7.7.2 交流測速發(fā)電機的主要性能指標(biāo) 178
7.7.3 交流測速發(fā)電機的應(yīng)用 180
本章小結(jié) 181
思考題與習(xí)題 183
第8章 力與慣性傳感器 185
8.1 力傳感器 186
8.1.1 力－位移轉(zhuǎn)換裝置 186
8.1.2 壓電式傳感器 187
8.1.3 壓頻式傳感器 190
8.2 加速度表 191
8.2.1 加速度表基本原理 191
8.2.2 液浮擺式加速度表 191
8.2.3 撓性加速度表 192
8.2.4 硅微加速度表 193
8.2.5 加速度表誤差模型 194
8.3 陀螺儀 195
8.3.1 陀螺儀基本特性 195
8.3.2 機械框架式陀螺儀 196
8.3.3 撓性陀螺儀 198
8.3.4 光學(xué)陀螺儀 200
8.3.5 硅微陀螺 204
8.3.6 陀螺誤差模型 204
8.3.7 陀螺儀的應(yīng)用 204
本章小結(jié) 208
思考題與習(xí)題 209
第9章 環(huán)境傳感器 211
9.1 溫度傳感器 212
9.1.1 雙金屬片 212
9.1.2 熱電阻 212
9.1.3 熱電偶 213
9.1.4 熱敏電阻 215
9.1.5 熱敏二極管和熱敏三極管 215
9.2 濕度傳感器 217
9.2.1 濕度的概念 217
9.2.2 電解質(zhì)式濕度傳感器 217
9.2.3 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 218
9.2.4 高分子濕度傳感器 218
9.2.5 濕敏二極管和濕敏MOS場效應(yīng)管 219
9.2.6 濕度傳感器的使用注意事項 220
9.3 氣敏傳感器 221
9.3.1 固態(tài)氣敏傳感器 221
9.3.2 液態(tài)氣敏傳感器 223
9.3.3 光學(xué)氣敏傳感器 223
9.4 顏色與圖像傳感器 223
9.4.1 色敏光電傳感器 223
9.4.2 光固態(tài)圖像傳感器 224
9.5 輻射和聲傳感器 227
9.5.1 紅外輻射傳感器 227
9.5.2 聲音傳感器 227
9.5.3 超聲波傳感器 228
9.6 新型傳感器 229
9.6.1 光纖傳感器 229
9.6.2 激光探測器 230
9.6.3 生物分子傳感器 231
9.6.4 智能傳感器 232
本章小結(jié) 233
思考題與習(xí)題 234

應(yīng)用篇

第10章 控制器件應(yīng)用選型實例 235
10.1 車床數(shù)控改造 236
10.1.1 總體方案 236
10.1.2 控制器件參數(shù)計算與選型 236
10.2 機床工作臺液壓驅(qū)動系統(tǒng) 237
10.2.1 工況分析和參數(shù)計算 237
10.2.2 液壓控制回路設(shè)計 239
10.2.3 液壓元件選取 239
10.2.4 液壓系統(tǒng)性能驗算 240
10.3 步行機器人行走機構(gòu) 241
10.3.1 總體方案 241
10.3.2 功率和轉(zhuǎn)動力矩 242
10.3.3 電流和電壓 243
10.3.4 電動機和負(fù)載的慣量匹配 243
本章小結(jié) 244
思考題與習(xí)題 244
參考文獻(xiàn) 245

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