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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