總結最新教學、科研實踐經驗體會，內容上做了充實和調整。

調整內容組織結構，先講執行機構再講傳感器，并力求強化它們與控制系統的聯系。

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

第二版前言

“控制器件”是機電控制和自動化類專業一門十分重要的核心專業基礎課，其涵蓋的范圍一般應包括各類執行機構和傳感器。但目前流行的教材多分成了電機學（或控制電機）、傳感器技術、液壓控制系統（或液壓與氣動裝置）三種，給課程教學帶來了諸多不便。此外，按這種思路編寫的教材，固然可以做到主題鮮明、內容翔實、原理深入，但綜合應用方面卻相對欠缺。因此，在以往的控制器件課程教學中，經常為教材選擇犯愁，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容的不系統。

正是基于這個原因，我們早在“十五”期間就作為新世紀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行機構（包括液壓傳動系統）于一書，力求以較少的學時數，使學生建立控制器件較完整的概念，盡量擴大知識面，滿足大多數實際應用的參考需要。

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

本書除第1章緒論外，分為執行機構篇、傳感器篇和應用篇三大部分，系統介紹自動控制系統中常用控制器件的工作原理、基本特性、使用方法和應用舉例。第1章概略性介紹控制器件的基本概念、主要分類、發展動態、涉及的知識結構、本課程的特點及學習方法；第2～6章為執行機構篇，分別介紹直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機、液壓驅動系統和其他執行機構；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、環境傳感器；第10章為應用篇，通過3個具體的應用實例，說明自動控制系統的設計思想，以及在設計控制系統時如何恰當地選用控制器件。

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

本書由吳文啟改編并統稿，根據鄒逢興教授的意見，對全書的體系結構和內容選取做了調整，強化了執行機構，增加了各種執行機構的傳遞函數模型及各種傳感器的測量誤差模型等相關內容，增加了基于運動控制執行機構和運動狀態傳感器的應用背景案例，對應用篇中的實例進行了修改充實，注重不同原理的各種執行機構與傳感器分析中的共性問題，以及與后續“自動控制原理”等課程內容的銜接。

在本書編寫過程中，作者借鑒了參考文獻中所列書目的思想和圖例，謹對相關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用方面的控制器件相關資料。

盡管本書是作者單位多年來教學、科研實踐體驗的結晶，但由于作者水平有限，書中難免存在不當之處，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或控制電機、傳感器技術、液壓控制系統或液壓與氣動三種，給課程教學帶來了許多不便。此外，分成三門課程，涉及的內容原理較為深入，但應用方面相對欠缺。在以往的控制器件教學中，經常為教材選擇犯愁，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，來彌補教材內容的不系統。

正是基于這個原因，我們編寫了這本書，旨在較系統全面地介紹自動控制系統中常用的傳感器和執行機構，包括液壓傳動系統，力求以較少的學時，使學員建立控制器件的較完整概念，盡量擴大學員的知識面，滿足大多數實際應用的參考需要。為此，本書除了第1章緒論外，分為傳感器篇、執行機構篇和應用篇三大部分。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、環境參數傳感器、特殊傳感器和測速發電機；第7章至第11章為執行機構篇，分別介紹了直流伺服電動機、交流伺服電動機、步進電動機、液壓驅動系統和其他執行機構；第12章為應用篇，通過三個具體的應用實例，來說明自動控制系統的設計思想，以及在設計控制系統時如何選用適當的控制器件。

本課程以40學時為宜，建議的課時安排如下：第1章2學時，第2章4學時，第3章4學時，第4章2學時，第5章2學時，第6章4學時，第7章4學時，第8章6學時，第9章4學時，第10章和第11章6學時，第12章2學時。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章的內容。如果按照36學時講授，則建議不講第10章，而第2章改為6學時。

本書由楊益強（編寫第1至6章并統稿）、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構和內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，借鑒了參考文獻中的思想和圖例，謹對有關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，感謝出版社相關同志為本書付出的辛勤勞動。

盡管本書淀積了多年的教學體驗，但由于作者水平有限，難免存在不當之處，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 自動控制系統與控制器件 2
1.1.1 自動控制系統 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構 3
1.2 執行機構概述 4
1.2.1 執行機構的定義和分類 4
1.2.2 運動控制執行機構 4
1.2.3 現代執行機構的發展 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 環境傳感器 6
1.3.4 現代傳感器發展動態 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 執行機構的特性 11
1.4.3 執行機構的選用 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中的應用 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 微小衛星 14
1.6 本書的主要內容及學習方法 15
1.6.1 本書的主要內容 15
1.6.2 本課程的特點 15
1.6.3 本課程的學習方法 16
本章小結 17
思考題與習題 17

執行機構篇

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構 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構 20
2.2 直流伺服電動機的穩態特性 23
2.2.1 直流伺服電動機的穩態基本關系式 23
2.2.2 直流伺服電動機的機械特性 26
2.2.3 調節特性 28
2.3 直流伺服電動機的動態特性 29
2.3.1 直流伺服電動機的動態基本關系式 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 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 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用 40
2.6.1 轉速控制 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 43
思考題與習題 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構 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構 46
3.2 兩相繞組的圓形旋轉磁場 48
3.2.1 對稱兩相繞組的圓形旋轉磁場 48
3.2.2 旋轉磁場的轉動方向 49
3.2.3 旋轉磁場的轉速 50
3.2.4 產生圓形旋轉磁場的條件 51
3.3 圓形旋轉磁場運行分析 51
3.3.1 轉速與轉差率 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 橢圓形旋轉磁場運行分析 57
3.4.1 橢圓形旋轉磁場的產生 57
3.4.2 橢圓形旋轉磁場的分解 59
3.4.3 橢圓形旋轉磁場的機械特性 59
3.5 交流伺服電動機的控制 60
3.5.1 轉速控制與調節特性 60
3.5.2 相位控制方法 62
3.5.3 起動和停轉控制 64
3.5.4 交流伺服電動機的傳遞函數 65
3.6 交流伺服電動機的性能指標 66
3.6.1 額定電壓 66
3.6.2 頻率 66
3.6.3 堵轉電流和堵轉力矩 66
3.6.4 額定輸出功率、額定輸出力矩和
額定轉速 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 67
3.7 變頻調速技術簡介 68
3.7.1 變頻調速原理 68
3.7.2 變頻技術 69
3.7.3 變頻調速控制 70
3.7.4 變頻調速交流電動機的傳遞函數 71
3.8 交流伺服電動機在運動控制中的應用 71
本章小結 72
思考題與習題 72
第4章 步進電動機 75
4.1 步進電動機的結構和原理 76
4.1.1 步進電動機的結構 76
4.1.2 步進電動機的工作原理 76
4.1.3 轉速和步距角 78
4.2 步進電動機的工作特性 78
4.2.1 力矩特性 79
4.2.2 單步運行和靜態特性 81
4.2.3 連續運行和動態特性 82
4.2.4 步進電動機的傳遞函數 83
4.2.5 步進電動機的起動和調速 85
4.3 步進電動機的主要性能指標 85
4.3.1 步距角和靜態步距角誤差 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 步進電動機的使用 86
4.4.1 步進電動機驅動器 86
4.4.2 步距角的細分 86
4.4.3 實用控制方案 88
4.4.4 步進電動機在運動控制中的應用 89
本章小結 89
思考題與習題 90
第5章 液壓驅動系統 91
5.1 液壓驅動系統基本原理 92
5.1.1 液壓驅動系統的特點 92
5.1.2 液壓傳動相關理論 92
5.1.3 液壓傳動系統基本原理 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 液壓驅動系統設計方法 116
5.4.1 液壓系統工作狀況分析 117
5.4.2 液壓驅動系統的總體設計 117
5.4.3 液壓控制元件的選取 118
5.4.4 液壓驅動系統的性能驗算 118
5.5 液壓驅動系統的傳遞函數 119
5.6 液壓驅動系統在運動控制中的應用 120
本章小結 120
思考題與習題 121
第6章 其他執行機構簡介 123
6.1 其他電動機與電磁類執行機構 124
6.1.1 無刷直流電動機 124
6.1.2 開關磁阻電動機 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）馬達和膜片式驅動裝置 127
6.2.1 液壓（氣動）馬達 127
6.2.2 膜片式驅動機構 128
6.3 靜電執行機構 128
6.3.1 靜電電動機 128
6.3.2 靜電微泵 129
6.4 慣性執行機構——飛輪 129
6.5 基于材料物理特性的執行機構 130
6.5.1 磁致伸縮驅動器 130
6.5.2 壓電驅動器 130
6.5.3 超聲波電動機 130
6.5.4 形狀記憶合金驅動器 131
本章小結 131
思考題與習題 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 函數電位器 135
7.1.3 環形電位器 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用 136
7.2.2 電容值的讀取方法 138
7.3 感應式位置傳感器 141
7.3.1 自整角機 141
7.3.2 旋轉變壓器 144
7.3.3 感應同步器 149
7.3.4 其他感應式位置傳感器 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 直流測速發電機 168
7.6.1 直流測速發電機的工作原理
和結構 168
7.6.2 直流測速發電機的特性 169
7.6.3 直流測速發電機誤差分析 172
7.6.4 直流測速發電機的性能指標 176
7.7 交流測速發電機 177
7.7.1 交流測速發電機的結構和
工作原理 178
7.7.2 交流測速發電機的主要性能指標 178
7.7.3 交流測速發電機的應用 180
本章小結 181
思考題與習題 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 陀螺儀的應用 204
本章小結 208
思考題與習題 209
第9章 環境傳感器 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 電解質式濕度傳感器 217
9.2.3 半導體陶瓷濕度傳感器 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 固態氣敏傳感器 221
9.3.2 液態氣敏傳感器 223
9.3.3 光學氣敏傳感器 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 233
思考題與習題 234

應用篇

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

1. 實用運籌學 [主編　邢育紅　于晉臣]
2. 電子技術（第二版） [主編 覃愛娜 李飛]
3. 勞動爭議處理實務 [主編 王秀卿 羅靜]
4. 語音識別理論與實踐 [主編　莫宏偉]
5. 武術基礎教程 [主編 李代勇 謝志民]
6. 畫法幾何與機械制圖習題集（多學時） [主編 趙軍]
7. 機械設計基礎（第二版） [主編 田亞平 李愛姣]
8. 畫法幾何與機械制圖 [主編 趙軍]
9. C語言程序設計習題與實驗指導（第二版） [主編 甄增榮 張賓]
10. C語言程序設計（第二版） [主編 甄增榮 田云霞]
11. Unity3D虛擬現實應用開發實踐 [主 編 劉龍]
12. 面向對象程序設計 [主編 張勇 張平華 趙小龍]
13. 網絡營銷 [主編 夏薇薇 劉婷 尚潔]
14. 數據庫技術與應用實踐教程（SQL Server 2019） [主 編 嚴暉 周肆清]
15. 功能材料制備與表征實驗指導書 [龔偉平 趙軍峰 梅海娟 等編著]
16. 信號與系統（第二版） [主編 張宇]
17. Python 語言程序設計實踐指導 [主編　張雙獅]
18. 體育舞蹈教程 [主編 劉偉 陳志明 曾明]
19. 線性代數導學篇 [主編 史昱]
20. 信息技術基礎實訓與習題指導（Windows7+Office2016） [主編 周金容 唐天國]
21. 高等數學導學篇（下冊） [主編 李文婧 胡雷 尹金生]
22. 高等數學導學篇（上冊） [主編 李文婧 胡雷 尹金生]
23. 高等數學（下冊） [主編 李愛芹 胡雷 尹金生]
24. 高等數學（上冊） [主編 李愛芹 胡雷 尹金生]
25. 中華水文化（慕課版）（第二版） [畢雪燕 楊華軻 羅玲誼 等編著]
26. 電路與電子技術Ⅱ——電路分析基礎 [主編 陳曉 金哲]
27. Spark大數據處理技術 [主編　劉仁山　周洪翠　莊新妍]
28. 人工智能算法與實踐 [主編　梁琨　張翼英]
29. 數據清洗 [黃源　劉智楊　孫大松]
30. 電路設計與PCB制作實操教程 [主編 周永宏]