流体传动与控制

为贯彻“全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务”“深化教育领域综合改革，加强教材建设和管理”党的二十大会议精神，面向新工科背景下本科教育的工程能力和创新思维培养要求及新形态教材要求，使学生能够掌握流体传动与控制基本原理，能够识别工程中的系统回路图并对系统进行分析、控制及测试，提高学生的多学科分析问题与解决问题能力，本书进行了以下尝试与创新：
1)按立德树人根本任务与工程能力和创新思维培养要求确定本书内容。流体传动与控制是用受压流体作为介质传递、控制、分配信号和能量的方式或方法，已发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。本书内容包括工程流体力学、液压传动与控制、气压传动与控制，包含液压和气动的电调制连续控制阀（比例控制阀、伺服阀）及比例伺服控制，并包罗常用电-机械转换器、控制器、传感器、低压电器以及新技术应用的元件和要素，涉及自动控制理论、计算机控制技术、电气控制与PLC、检测与转换技术、电机及拖动、工业控制网络技术等知识内容。
2)将液压、气动融合讲述，将泵、马达融合讲述，将比例控制阀、伺服阀融合讲述，有助于辨析它们的共性与差异；结合元件拆解剖切照片和结构示意图解读原理功用，针对流体动力源讲述附件，有助于面向工程问题；将传动与控制交叉融合，将系统回路、动作顺序表、电气任务书与电气控制融合讲述，有助于培养多学科分析解决问题的能力。
3)图形符号、词汇术语、量和单位是科技人员的工程语言，本书按GB/T 786.1—2021 《流体传动系统及元件图形符号和回路图第1部分：图形符号》 制作图形符号并解读图形符号基本要素和应用规则，词汇术语、量和单位采用GB/T 17446—2012、ISO 5598: 2020、GB 3100～3102等标准，并在附录中给出了与本书内容相关的标准目录，有助于识图绘图、培养标准化规范化的意识和能力。
4)精选液压气动比例伺服控制的位置、速度和力控制实际工程案例，涵盖以流体传动各种开关和传感器为输入，以继电器、电磁铁、比例电磁铁、力矩马达、步进电动机、伺服电动机及其放大器、驱动器为输出，以PLC、工控机为控制器的定值控制与随动控制，包括系统回路、控制原理、控制电路及增量式PID算法等控制程序。
5) 将课程思政与课程知识有机融合，以二维码的形式引入“精神的追寻”“党史学习教育”“功勋科学家”“科普之窗”等课程思政视频模块，树立学生的科技自立自强意识，熏陶科学家精神，助力培养德才兼备的高素质人才；通过流体传动与控制技术的机电液气多学科结合、工程应用及历史行程，厚植家国情怀与协作创新精神；通过图形符号、词汇术语、量和单位等内容的标准化规范化，以及问题分析法、融合创新与迭代创新等教学内容，培养严谨治学与创新精神，提高分析解决复杂工程问题的能力。
6) 本书以二维码的形式嵌入习题详解、图片（包括实物照片、教学图片等）和视频（包括课程知识、阀的操纵、图形符号绘制、实验与项目式教学视频等）。
7) 本书采用双色印刷，准确标记彩色，像我们自己用彩笔标记一样，起到层次清晰、有助学习的效果。
本书由燕山大学姚成玉、陈东宁、魏立新担任主编，参与本书编写工作的有蔡伟、刘福才、王洪斌、吕世君、刘梅桢、呼忠权、李建雄，马丙祥提供了电调制连续控制阀拆解照片。燕山大学张齐生教授、高殿荣教授、刘志新教授、李丽教授，以及兰州理工大学冀宏教授、东北林业大学常同立教授、东北大学郭戈教授、中国科学院数学与系统科学研究院黄一研究员对本书给予了支持和帮助，燕山大学“重型机械流体动力传输与控制”“工业计算机控制工程”河北省重点实验室提供了教学元件及系统回路平台，本书得到了燕山大学教学研究与改革项目（新工科背景下基于工程能力和创新思维培养的 《流体传动与控制》 特色教材建设，2020JCJS01）的支持，在此一并表示衷心的感谢。
本书难免有漏误和不足，敬请读者交流指正。

编者

本书内容包括工程流体力学、液压与气压传动、比例伺服控制，包含常用电-机械转换器（电磁铁、比例电磁铁、线性力马达、力矩马达等）、控制器、传感器、低压电器。本书将液压、气动融合讲述，将泵、马达融合讲述，将比例控制阀、伺服阀融合讲述，针对流体动力源讲述附件，将系统回路、动作顺序表、电气任务书与电气控制融合讲述，针对流体传动图形符号（GB/T 786.1—2021）解读其基本要素和应用规则；并精选液压气动电调制连续控制阀（比例控制阀、伺服阀）的位置、速度和力控制实际工程案例，涵盖以点对点和现场总线为连接通信方式、以PLC和工控机为控制器的定值控制与随动控制，包括系统回路、控制原理、控制电路及增量式PID算法等控制程序。

本书为新形态教材，采用双色印刷，将课程思政与课程知识有机融合，以二维码的形式嵌入习题详解及课程思政，以及图片（包括实物照片、教学图片等）和视频（包括课程知识、阀的操纵、图形符号绘制、实验与项目式教学视频等）。
本书适于作自动化类、机械类专业“流体传动与控制”“液压与气压传动”课程的教材，也可供有关科技人员参考。

目录
前言
第1章绪论1
1.1流体传动基本原理与基本特征1
1.2流体传动系统的组成及能量转换4
1.3流体传动的特点及液压与气动的差异5
1.4图形符号及GB/T 7866
1.5历史的行程8
1.5.1技术萌芽8
1.5.2技术形成10
1.5.3现代发展13
习题16
第2章工程流体力学17
2.1流体的主要物理性质17
2.1.1流体的概念17
2.1.2连续介质模型17
2.1.3流体的密度18
2.1.4流体的压缩性与体积模量18
2.1.5流体的黏性20
2.2流体静力学21
2.2.1作用于流体上的力21
2.2.2流体静压力及其特性22
2.2.3重力场中静止流体的压力分布规律与帕斯卡原理23
2.2.4表压力24
2.3流体动力学25
2.3.1流体运动中的基本概念25
2.3.2流量连续方程26
2.3.3伯努利方程27
2.3.4动量方程28
2.4流体在管路中的流态与压力损失30
2.4.1管路中流体的流态和雷诺数30
2.4.2压力损失31
2.5孔口出流33
2.5.1薄壁孔口出流34
2.5.2厚壁孔口出流35
习题36
第3章动力元件与执行元件37
3.1泵和马达37
3.1.1泵和马达的排量与图形符号37
3.1.2柱塞泵和柱塞马达38
3.1.3 叶片泵和叶片马达41
3.1.4齿轮泵和齿轮马达42
3.1.5液压泵和液压马达的功率与效率42
3.2缸46
3.2.1单出杆缸47
3.2.2其他类型的缸52
习题54
第4章控制元件56
4.1换向阀57
4.1.1换向阀工作原理及机能57
4.1.24/3和5/3换向阀的中位机能61
4.1.3控制机构及换向阀63
4.1.4图形符号的模数、绘制、要素布置规则及取向73
4.2单向阀76
4.2.1单向阀76
4.2.2液(气)控单向阀77
4.3压力控制阀78
4.3.1溢流阀78
4.3.2减压阀83
4.4流量控制阀85
4.5电调制连续控制阀86
4.5.1电调制连续控制阀与普通阀的不同86
4.5.2比例控制阀与伺服阀的异同88
4.5.3比例压力控制阀与比例流量控制阀90
4.5.4比例方向控制阀、伺服比例阀和流量伺服阀92
4.5.5阀系数104
4.5.6阀控缸数学模型105
4.5.7比例控制阀和伺服阀的性能指标107
习题110
第5章附件及流体动力源114
5.1电气装置、测量仪及指示器114
5.2密封与连接116
5.2.1密封116
5.2.2连接117
5.3流体处理装置118
5.3.1热交换器119
5.3.2过滤器与<气动>油雾器120
5.4液压泵站工作原理及其电气任务书123
5.4.1液位监测与液温控制123
5.4.2液压油污染控制125
5.4.3泵空载起停与急停125
5.4.4流量与压力控制126
5.4.5电气任务书126
5.5气源装置126
习题127
第6章基本回路与系统129
6.1压力控制回路129
6.1.1<液压>溢流调压回路129
6.1.2减压调压回路130
6.1.3平衡回路131
6.1.4<液压>卸荷回路132
6.2调速回路133
6.2.1节流调速回路133
6.2.2 <液压>容积调速回路135
6.3速度变换回路136
6.3.1差动增速回路137
6.3.2<液压>多泵供油增速回路138
6.4多执行元件顺序动作回路140
6.4.1用位置开关或接近开关的顺序动作回路140
6.4.2用压力开关的顺序动作回路143
6.4.3工程案例144
6.5<气动>真空吸着回路145
6.6基于工控机的电液伺服控制系统147
6.6.1液压伺服系统回路图147
6.6.2工控机控制系统148
6.6.3程序及PID控制算法实现154
6.7基于工控机的气动比例控制系统156
6.7.1气动比例控制系统回路图156
6.7.2工控机控制系统157
6.8基于PLC和现场总线的可逆冷轧机电液伺服控制系统160
6.8.1液压伺服系统回路图及元件明细161
6.8.2液压伺服系统的电气任务书164
6.8.3电气控制系统总体设计167
6.8.4DI、DO模块的接线电路与软件编程172
6.8.5传感器信号采集173
6.8.6伺服缸位置控制175
6.9基于伺服系统的型材追剪随动控制183
6.9.1液压伺服控制系统183
6.9.2电气伺服控制系统186
习题190
附录与本书内容相关的标准目录193
参考文献197

本书内容包括工程流体力学、液压与气压传动、比例伺服控制，包含常用电-机械转换器（电磁铁、比例电磁铁、线性力马达、力矩马达等）、控制器、传感器、低压电器。本书将液压、气动融合讲述，将泵、马达融合讲述，将比例控制阀、伺服阀融合讲述，针对流体动力源讲述附件，将系统回路、动作顺序表、电气任务书与电气控制融合讲述，针对流体传动图形符号（GB/T 786.1—2021）解读其基本要素和应用规则；并精选液压气动电调制连续控制阀（比例控制阀、伺服阀）的位置、速度和力控制实际工程案例，涵盖以点对点和现场总线为连接通信方式、以PLC和工控机为控制器的定值控制与随动控制，包括系统回路、控制原理、控制电路及增量式PID算法等控制程序。

本书为新形态教材，采用双色印刷，将课程思政与课程知识有机融合，以二维码的形式嵌入习题详解及课程思政，以及图片（包括实物照片、教学图片等）和视频（包括课程知识、阀的操纵、图形符号绘制、实验与项目式教学视频等）。
本书适于作自动化类、机械类专业“流体传动与控制”“液压与气压传动”课程的教材，也可供有关科技人员参考。