本书详细介绍了液压系统微机控制的组成、结构、功能和典型方式。重点介绍了常用低压电器及继电器-接触器控制回路，通用数字控制器，液压系统微机控制中的专用控制器，检测元件，以及液压系统微机控制的常用方式和控制算法。 本书强调实用性和针对性，以解决实际问题为目的，淡化理论内容。在一定程度上反映了国内外电液控制领域比较成熟的新技术和新成果。 本书可以作为具有液压传动技术背景的机械电子工程、机械制造及其自动化、控制工程、动力工程等专业的高年级本科生和研究生的“计算机控制”课程教材，也可以作为流体传动与控制、运动控制等相关领域的工程技术人员的培训教材和参考书。

前 言 流体传动与控制（液压技术）不仅是一种传动技术，同时也是一种重要的运动控制技术，特别是电液比例和电液伺服控制系统，更是充当了连接现代微电子技术和大功率被控对象之间的桥梁，已成为现代运动控制的重要分支。现代液压元件与微电子技术、传感器技术高度融合，内置了电子线路，具有模拟或数字接口，成为了名副其实的机械电子产品；现代液压控制系统更是与计算机控制技术紧密结合，不仅可将各种复杂的控制策略应用于系统实现最优控制，还可实现系统状态的在线监测，实时诊断液压系统故障，真正实现了机电液一体化的高度集成。 但是，一般的读者均对计算机在液压控制系统中的应用产生畏惧感，究其原因，主要是液压系统微机控制技术涉及液压技术、控制理论和计算机技术等互成“伙伴技术”的三门技术，三门技术相互交叉和高度综合，特别是机械类的学生认为电气部分不是自己的专业，反之电气类的学生认为液压系统不是自己的专业，造成相互对自己的关联技术不甚了解，不能更好地进行系统的分析和设计。为满足具有液压技术基础的机械类专业本科生对计算机控制技术及其应用于液压系统中的知识的学习，我们将液压系统中涉及的有关低压电器知识、电气控制知识和微机控制的知识抽取出来，编写了本书。 本书以控制系统构成中的控制器、广义被控对象和反馈检测元件等三个要素为对象，以微机在液压控制系统中的功能为主线，首先对液压系统微机控制中涉及的低压电器及低压电气控制系统的基础知识做了较详细的介绍，然后重点讲述以可编程控制器（PLC）、工控机（IPC）和xPC目标为核心的通用数字控制器，以嵌入式微处理器为核心的专用电液数字控制器，以及实际液压控制系统现场仍在广泛使用的模拟控制器，简单介绍了液压系统微机控制中常用的检测元件。在此基础上，对液压系统微机控制的典型构成方式进行了较详细的阐述，最后介绍了PID控制算法及其在液压系统中的应用。 本书的读者对象为具有液压技术基础的机械类专业，机械电子工程、控制工程、动力工程等专业的高年级本科生和研究生，以及流体传动与控制、运动控制等相关领域的工程技术人员。 读者须具有一定的微机原理、自动控制原理和液压传动系统的基本知识，但由于本书主要以实际液压控制系统工程为背景，讲述方式也主要以对实际问题理解和解决为目的，没有数学关系的深入推演，所以并不需要读者具有上述基础理论方面非常精深的知识。 本书的特色是： 理论教学注重工程背景的讲述，以对实际问题理解为目的，没有数学关系的深入推演，尽量以对问题的理解为目的，强调实用性和针对性，在一定程度上反映了国内外电液控制领域比较成熟的新技术和新成果。 每章引入一个与该章内容相关的、来自编著者亲自设计的工程实际项目的训练实例，甚至有些实例的图纸和程序稍做改进即可用于实际工程项目中，使读者可以更好地理解该章所讲述的内容。 涉及的通用数字控制器、专用数字控制器和传感器等器件，均以工程现场实际使用的最新和典型产品为例讲解，主要介绍实际使用中关心的产品性能、功能、在系统中的地位和作用，以及实际接线和注意事项等，以提高读者的实际工程能力。 液压系统微机控制的方式等章节中的系统构成方式、数字控制阀、轴控制阀和总线型控制系统等，均为行业中比较新的概念，使读者能掌握实际行业发展的最新动态。 全书共7章。第1章概述了微机控制的电液轴的基本概念，计算机控制系统的结构、组成和分类，以及液压系统微机控制的基本概念；第2章介绍了常用低压电器及继电器-接触器控制回路；第3章和第4章详细讲述了以PLC、工控机IPC和xPC目标为核心的通用数字控制器，以及专用电液数字控制器和模拟控制器；第5章介绍了液压系统微机控制中常用的检测反馈元件；第6章介绍了液压系统微机控制的常用构成方式；第7章介绍了PID控制算法及其在液压系统微机控制中的应用。 本书由兰州理工大学魏列江编著，李少年、强彦和岳大灵参编，兰州理工大学冀宏主审。其中第1、4、6、7章由魏列江编写，第2章由李少年编写，第3章由强彦编写，第5章由岳大灵编写。 杭州电子科技大学的邹洪波对书稿的内容提出了许多宝贵建议；兰州理工大学硕士研究生李旭方、董万玉、冯志清、李娜娜、王霖、魏小玲、张晶、刘文广、马斌和韩啸参与本书的资料收集、整理、文字校核和部分绘图工作。在此为他们对本书的贡献表示诚挚的感谢！ 电子工业出版社的李洁编辑对本书的出版给予了极大帮助，也在此表示衷心感谢！ 由于水平和经验所限，尽管我们尽了极大的努力，书中难免还有错误和欠妥之处，敬请读者批评指正。 本书受兰州理工大学研究生重点学位课程建设和兰州理工大学规划教材项目资助。 编 著 者 2013年12月

目 录 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.1.1 机器 1 1.1.2 传动 1 1.1.3 轴 2 1.1.4 机械轴 2 1.1.5 液压轴 2 1.1.6 微机控制的电液轴 2 1.1.7 液压系统的微机控制 3 1.2 计算机控制系统发展简述 4 1.3 计算机控制系统的结构和组成 5 1.3.1 自动控制理论回顾 5 1.3.2 连续控制系统的结构 7 1.3.3 计算机控制系统的结构 8 1.3.4 计算机控制系统的组成 8 1.4 计算机控制系统的分类 10 1.4.1 数据采集系统 11 1.4.2 操作指导系统 11 1.4.3 直接数字控制系统 12 1.4.4 监督计算机控制系统 12 1.4.5 计算机分散控制系统 13 1.4.6 现场总线控制系统 14 1.5 计算机控制系统的发展趋势 15 1.6 循序渐进实例：电液伺服系统 微机控制实例 16 习题 17 第2章 常用低压电器及继电器-接触器 控制回路 18 2.1 引言 18 2.2 低压电器概述 19 2.2.1 低压电器的分类 19 2.2.2 低压电器的电磁机构 19 2.2.3 低压电器的执行部件 20 2.2.4 低压电器的结构特点 22 2.3 常用低压电器 23 2.3.1 接触器 23 2.3.2 继电器 28 2.3.3 开关电器 35 2.3.4 主令电器 38 2.3.5 熔断器 40 2.4 电气控制图的绘制 41 2.4.1 常用的电气图形符号及 文字符号 42 2.4.2 电气原理图 42 2.4.3 电气元件布置图 44 2.4.4 电气接线图 44 2.5 电气原理图的读图分析方法 45 2.6 液压系统中的典型继电器-接触 器控制回路 46 2.6.1 液压泵驱动电机的选型 计算 46 2.6.2 液压泵驱动电机的直接 启动和降压启动 47 2.7 循序渐进实例：液压伺服机构 的微机控制系统中用到的低压 电器及电气控制系统设计 50 习题 52 第3章 通用数字控制器 54 3.1 工业现场数字控制器概述 54 3.2 可编程控制器（PLC） 55 3.2.1 可编程控制器概述 55 3.2.2 PLC的硬件组成 60 3.2.3 PLC输入输出接口电路 63 3.2.4 PLC的工作原理 70 3.2.5 CP1H-XA型PLC指令 系统简介 77 3.3 IPC作为数字控制器 88 3.3.1 概述 88 3.3.2 IPC的硬件组成 89 3.3.3 IPC的软件组成 91 3.3.4 IPC的系统总线 91 3.3.5 工控机输入/输出（I/O） 板卡 92 3.3.6 其他板卡 94 3.3.7 IPC工控机+I/O板卡构成 测控系统 94 3.3.8 IPC工控机+远程I/O模块 构成测控系统 95 3.3.9 PCI-1712多功能数据采 集卡 96 3.4 xPC目标方案 102 3.4.1 什么是xPC目标 102 3.4.2 xPC目标的软件环境 103 3.4.3 xPC目标的硬件环境 104 3.4.4 xPC目标输入/输出设备 驱动程序支持 105 3.4.5 基于xPC目标的半物理 仿真实现过程 106 3.5 嵌入式控制器作为数字控制器 的用法 107 3.5.1 Labview及NI嵌入式控制 系统的应用 108 3.5.2 Labview及NI嵌入式控 制器在液压实验台测试 系统中的应用 109 3.5.3 NI CompactRIO为核心 构成的电液伺服微机控 制系统 111 3.6 循序渐进实例：电液伺服系统 微机控制中的通用控制器及 接口电路 113 习题 115 第4章 液压系统微机控制 中的专用 控制器 117 4.1 专用控制器概述 117 4.2 专用控制器的分类 118 4.3 模拟比例控制器 119 4.3.1 概述 119 4.3.2 典型组成 120 4.3.3 分类 121 4.3.4 模拟比例控制器的调整 与使用 122 4.3.5 模拟比例控制器的参数 调节 123 4.3.6 模拟比例控制器产品举例 126 4.3 模拟伺服控制器 130 4.3.1 概述 130 4.3.2 与模拟比例控制器的 异同点 130 4.3.3 模拟伺服控制器的特点 和使用 131 4.4 专用数字控制器 136 4.4.1 概述 136 4.4.2 MOOG公司MSC数字 伺服控制器 137 4.5 循序渐进实例：电液伺服系统 微机控制中的专用控制器 143 习题 145 第5章 检测元件 146 5.1 传感器的基本特性 146 5.2 接近开关 147 5.3 光电编码器 151 5.3.1 增量式光电编码器 151 5.3.2 绝对值编码器 155 5.3.3 混合式光电编码器 158 5.3.4 旋转变压器 160 5.4 位置传感器 162 5.4.1 直线位置传感器 162 5.4.2 角位移传感器 163 5.5 速度传感器 165 5.5.1 直线速度传感器 165 5.5.2 转速传感器 165 5.6 力/扭矩传感器 168 5.6.1 力传感器 168 5.6.2 扭矩传感器 171 5.7 其他传感器：压力、流量、 温度 173 5.7.1 压力传感器 173 5.7.2 流量传感器 174 5.7.3 温度传感器 175 5.8 循序渐进实例：电液伺服系统 微机控制中的检测反馈元件 177 5.8.1 位移和速度反馈检测—— 磁致伸缩位移（速度） 传感器 177 5.8.2 负载角度检测反馈—— 光电编码器 179 习题 180 第6章 液压系统微机控制的常用方式 181 6.1 引言 181 6.2 液压控制系统中的常用阀 181 6.3 液压控制阀的电-机械转换元件 182 6.3.1 开关型电磁铁 182 6.3.2 比例电磁铁 183 6.3.3 力矩（力）马达 186 6.4 液压系统微机控制的典型方式 189 6.4.1 液压系统开环和闭环控制 189 6.4.2 开关电磁阀定位系统的 微机控制 190 6.4.3 电液比例系统的微机控制 196 6.4.4 电液伺服系统的微机控制 198 6.4.5 机电液一体化控制阀的 微机控制系统 201 6.4.6 高速开关阀系统的微机 控制 204 6.5 循序渐进实例—高速开关阀在 车辆转向系统中的应用 208 习题 210 第7章 控制算法 211 7.1 控制算法概述 211 7.2 模拟PID控制器 211 7.2.1 什么是PID控制器 211 7.2.2 PID控制结构 212 7.2.3 PID模拟表达式 212 7.2.4 为什么要用PID控制器 212 7.2.5 P、I、D控制作用 212 7.3 数字PID控制器—PID算法的 计算机实现 215 7.3.1 积分的离散化 215 7.3.2 微分离散化 215 7.3.3 数字PID控制算法的 两种形式 216 7.4 PID算法在液压控制系统中的 应用 218 7.5 循序渐进实例：电液伺服系统 中的控制算法 220 7.5.1 系统设计要求 220 7.5.2 系统频率特性仿真分析 223 参考文献 230