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　　自動(dòng)控制系統組成和設備

　　第二節　自動(dòng)控制系統

　　17-18年5題，自動(dòng)控制系統組成1題，自動(dòng)控制系統設備1題，常用的控制系統1題，檢測儀表2題，自動(dòng)控制系統的安裝0題，工程量計算0題。

　　19年5題，自動(dòng)控制系統組成1題，自動(dòng)控制系統設備1題，常用的控制系統0題，檢測儀表2題，自動(dòng)控制系統的安裝1題，工程量計算0題。

　　一、自動(dòng)控制系統的組成

　　(一)自動(dòng)控制系統的組成

　　(1)被控對象。是控制系統所控制和操縱的對象，它接受控制量并輸出被控量。

　　(2)控制器。接收變換和放大后的偏差信號，轉換為被控對象進(jìn)行操作的控制信號。

　　(3)放大變換環(huán)節。將偏差信號變換為適合控制器執行的信號。它根據控制的形式、幅值及功率來(lái)放大變換。

　　(4)校正裝置。為改善系統動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性而附加的裝置。如果校正裝置串聯(lián)在系統的前向通道中，稱(chēng)為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式，稱(chēng)為并聯(lián)校正裝置，又稱(chēng)局部反饋校正。

　　(5)反饋環(huán)節。用來(lái)測量被控量的實(shí)際值，并經(jīng)過(guò)信號處理，轉換為與被控量有一定函數關(guān)系，且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節一般也稱(chēng)為測量變送環(huán)節。

　　(6)給定環(huán)節。產(chǎn)生輸入控制信號的裝置。

　　(二)自動(dòng)控制系統的常用術(shù)語(yǔ)

　　(1)輸入信號。泛指對系統的輸出量有直接影響的外界輸入信號，既包括控制信號又包括擾動(dòng)信號，其中控制信號又稱(chēng)控制量、參考輸入或給定值。

　　(2)輸出信號(輸出量)。是指反饋控制系統中被控制的物理量，它與輸入信號之間有一定的函數關(guān)系。

　　(3)反饋信號。將系統(環(huán)節)的輸出信號經(jīng)過(guò)變換、處理送到系統(環(huán)節)的輸入端的信號稱(chēng)為反饋信號。若此信號是從系統輸出端取出送入系統輸入端，這種反饋信號稱(chēng)主反饋信號，而其他稱(chēng)為局部反饋信號。

　　(4)偏差信號?？刂戚斎胄盘柵c主反饋信號之差。

　　(5)誤差信號。是指系統輸出量的實(shí)際值與希望值之差。系統希望值是理想化系統的輸出，實(shí)際上并不存在，它只能用與控制輸入信號具有一定比例關(guān)系的信號來(lái)表示。

　　在單位反饋情況下，希望值就是系統的輸入信號，誤差信號等于偏差信號。

　　(6)擾動(dòng)信號。除控制信號之外，對系統的輸出有影響的信號。

　　(三)自動(dòng)控制系統的類(lèi)型

　　根據反饋的方法有單回路系統，多回路系統，比值系統，復合系統。

　　1.單回路系統。只有一個(gè)控制變量組成的單環(huán)反饋系統稱(chēng)單回路系統。

　　2.多回路系統。被控制變量變化較為復雜，即動(dòng)態(tài)特性較為復雜，滯性很大，采用單回路控制不能滿(mǎn)足要求。通常對變量進(jìn)行分析后，尋找另外控制其變化的輔助變量，作為輔助控制信號，回送到調節器，共同完成對變量的調整與控制，這就組成了多回路系統。

　　3.比值系統。有些控制變量無(wú)法測量，只能用另一種可以測量的中間變量，測量計算后，轉換計算出這控制量，或直接對控制變量進(jìn)行調整，達不到生產(chǎn)或工藝要求，需有一個(gè)能自動(dòng)跟隨的控制系統輔助調節，以達到對控制變量的進(jìn)一步調節，這種控制系統稱(chēng)比值系統。

　　4.復合系統。

　　二、自動(dòng)控制系統設備

　　(一)傳感器

　　測量某一非電的物理量，如溫度、濕度、壓力等常用的物理量時(shí)，首先要把該非電量的參數轉變?yōu)橐浑娏繀?，這種將非電量參數轉變成電量參數的裝置叫做傳感器。

　　1.溫度傳感器

　　(1)熱電阻特性傳感器。在測量低于150℃溫度時(shí)，常用　金屬導體的電阻隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫。感溫材料中首選　　銅、鉑和鎳。

　　鉑金屬精度高，穩定性好，性能可靠，但鉑屬于貴重金屬，價(jià)格高。

　　銅金屬制成熱電阻，缺點(diǎn)是電阻率低，所以做成一樣的熱電阻，銅電阻要更細更長(cháng)，機械強度差，體積也大些。另外銅易氧化，只能在低溫及沒(méi)有浸蝕性介質(zhì)中工作。

　　用鎳制成的熱電阻，正好能彌補銅電阻缺陷，價(jià)格又比鉑低。

　　在高精度、高穩定性的測量回路中通常用鉑熱電阻材料的傳感器;要求一般、具有較穩定性能的測量回路可用鎳電阻傳感器;檔次低，只有一般要求時(shí)，可選用銅電阻傳感器。

　　在使用熱電阻測溫時(shí)，要充分注意熱電阻與外部導線(xiàn)的連接，不管外接導線(xiàn)長(cháng)短，必須使導線(xiàn)電阻符合規定值(一般為5Ω)，如果不足，用錳銅電阻絲補齊。為了提高測量精度，常用三線(xiàn)熱電阻電橋測量法。

　　半導體的體電阻對溫度的感受靈敏度特別高，在一些精度要求不高的測量和控制電路中得到充分應用。半導體體電阻靈敏度比其他金屬電阻高一個(gè)數量級，作為熱敏電阻時(shí)，測量和放大線(xiàn)路非常簡(jiǎn)單。

　　(2)熱電勢傳感器

　　1)以熱電偶為材料的熱電勢傳感器

　　兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路時(shí)，若兩個(gè)不同材料接點(diǎn)處溫度不同，回路中就會(huì )出現熱電動(dòng)勢。接觸電動(dòng)勢取決于兩種材料的種類(lèi)和接觸點(diǎn)的溫度，這種裝置稱(chēng)為熱電偶。

　　鉑及其合金屬于貴金屬，其組成的熱電偶價(jià)格最貴，優(yōu)點(diǎn)是熱電勢非常穩定。

　　銅、康銅價(jià)格最便宜。

　　居中為鎳鉻-考銅，且它的靈敏度又最高。

　　表6.2.2　　　　　　常用熱電偶

　　2)以半導體PN結為材料的熱電勢傳感器。利用溫度變化造成半導體PN結結電壓變化的傳感器，稱(chēng)為熱電勢傳感器。常用的集成溫度傳感器，就是這種熱電勢傳感器，該傳感器使用方便，工作可靠，價(jià)格便宜，且具有高精度的放大電路，輸出阻抗高，適用于遠距離傳輸。

　　2.壓力傳感器

　　壓力傳感器是將壓力轉換成電流或電壓的部件?？捎糜跍y量壓力和物體的位移。

　　(1)利用金屬彈性制成的壓力傳感器。最常用彈性測量元件有彈簧、彈簧管、波紋管和彈性膜片，這些測壓元件是先將壓力變化轉換成位移的變化，再將位移的變化通過(guò)磁電或其它電學(xué)的方法，轉成能方便檢測、處理、顯示的電學(xué)量。

　　1)電阻式壓差傳感器。將測壓彈性元件的輸出位移變換成電阻的滑動(dòng)觸點(diǎn)的位移，因而被測壓力的變化就可轉換成電位器阻值的變化，電橋輸出一不平衡電壓，來(lái)測量壓力。

　　2)電容式壓差傳感器。最常見(jiàn)的一種壓力傳感器，用二塊彈性強度性能好的金屬平板，作為差動(dòng)可變電容器的二個(gè)活動(dòng)電極，被測壓力分別置于二塊金屬平板兩側，在壓力的作用下，能產(chǎn)生相應位移，當可動(dòng)極板與另一電極的距離發(fā)生變化時(shí)，則相應的平板電容器的容量發(fā)生變化，最后由變送器將變化的電容轉換成相應的電壓或電流。

　　3)霍爾壓力傳感器。將彈性元件感受的壓力變化引起的位移通過(guò)霍爾元件轉換成電壓信號，霍爾元件是一塊半導體元件。壓力式傳感器只能用在測量動(dòng)態(tài)壓力和快速脈動(dòng)的壓力上。

　　(2)壓電傳感器。利用某些材料的壓電效應原理制成的，具有這種效應的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱(chēng)為壓電材料。

　　3.流量傳感器

　　常用節流式、速度式、容積式和電磁式。

　　(1)節流式。在被測管道上安裝一節流器件，如孔板、噴嘴、靶、轉子等，使流體流過(guò)這些阻擋體時(shí)，根據流體對節流元件的推力和節流元件前后的壓力差，來(lái)測定流量的大小。

　　1)壓差式流量計。精度稍差，但結構簡(jiǎn)單，制造方便，是一種常用的流量測量?jì)x器。

　　2)靶式流量計。經(jīng)常用于高粘度的流體，如重油、瀝青等流量的測量，也適用于有懸浮物，沉淀物的流體。

　　3)轉子流量計。轉子放在一圓錐型測量管道中，當被測流體自下而流入時(shí)，轉子前后產(chǎn)生一壓差，轉子平衡位置的高低反映流量的大小，用電路把轉子的位置轉換成電信號，反映了流量大小。

　　(2)速度式。常用的是渦流流量計。

　　為了提高測量精度，在渦輪前后均裝有導流器和一段直管，入口直段的長(cháng)度應為管徑10倍，出口長(cháng)度應為管徑的5倍。渦輪流量計線(xiàn)性好，反映靈敏，但只能在清潔流體中使用。

　　光纖式渦輪傳感器具有重現性和穩定性能好，不受環(huán)境、電磁、溫度等因素的干擾的優(yōu)點(diǎn)，顯示迅速，測量范圍大的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是只能用來(lái)測量透明的氣體和液體。

　　(3)容積式。通常有橢圓齒輪流量計，只要橢圓齒輪加工精確，防止腐蝕的磨損，則可達到極高的測量精度，一般可達到0.2～0.55%，所以經(jīng)常用作為精密測量用，該流量計經(jīng)常用于高精度的流體測量。

　　(4)電磁式。常用在測量導電液體流量上。優(yōu)點(diǎn)是管道中不設任何節流元件，因此可以測量各種粘度的導電液體，特別適合測量含有各種纖維和固體污物的腐體，此外對腐蝕性液體也適用。除了測量管中一對電極與流體接觸，沒(méi)有其它零件接觸，工作可靠，精度高，線(xiàn)性好，測量范圍大，反應速度又快。

　　4.液位檢測傳感器

　　(1)電阻式液位傳感器。利用液體的電阻來(lái)作為監控的對象。結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但只能用于無(wú)腐蝕液體中，否則液體的腐蝕會(huì )使彈簧的彈性系數發(fā)生變化，給測量帶來(lái)誤差。

　　電阻式液位計

　　(2)電容式液位傳感器。電容式液位計是利用電容變化測量液體液位變化的測量?jì)x器。

　　(二)調節裝置

　　1.位置調節

　　位置調節分雙位調節和三位調節

　　(1)雙位調節。雙位調節機構簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，在空調系統中有廣泛應用?？照{系統中的風(fēng)機盤(pán)管溫控器就是典型的雙位調節。

　　(2)三位調節。在定壓供水系統中，經(jīng)常采用三位調節。

　　三位調節系統有三個(gè)位置，全開(kāi)，中間，全閉。

　　位置調節在調節精度要求不高的地方比較合適，一般用于溫度，液位的調節。

　　2.比例調節(P)

　　比例調節器的特點(diǎn)是調節速度快，穩定性高，不容易產(chǎn)生過(guò)調節現象。

　　缺點(diǎn)是調節過(guò)程最終有殘余偏差，而且被調查參數不能回到給定值，特別是負載變化幅度較大時(shí)，殘余偏差更大。

　　比例調節通常是在調節精度要求不是太高，調節時(shí)允許有殘余偏差場(chǎng)合，如在工藝過(guò)程中流量變化，工藝要求變化快的地方，像鍋爐水位控制，高容量貯罐中壓力、流量的調節。

　　3.積分調節(I)

　　積分調節多用于壓力、流量和液位的調節上，而不能用在溫度計。因為溫度的調節滯后現象大，調節結果容易調成位置調節，而真正要做到無(wú)偏差調節，則更多地用比例積分調節。

　　4.比例積分調節(PI)

　　調節器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關(guān)系，同時(shí)還與偏差存在的時(shí)間長(cháng)短成比例。

　　5.比例微分調節(PD)

　　調節器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關(guān)系，同時(shí)還與偏差的變化速度有關(guān)。

　　6.比例積分-微分調節(PID)

　　調節器輸出信號不僅與輸入偏差信號大小有關(guān)，與偏差存在時(shí)間長(cháng)短有關(guān)，還與偏差變化的速度有關(guān)，引入微分環(huán)節可以大大改善慣性滯后較大系統的調節品質(zhì)。

　　PID調節用在慣性滯后大的場(chǎng)合，如溫度測量等。

　　(三)終端設備

　　1.執行機構

　　執行機構按照運動(dòng)方式，分角行程執行機構和直行程執行機構。

　　按照執行機構所用的輔助能源，可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三種。

　　電動(dòng)執行機械接受標準直流信號(DC0～10V，4～20mA)。通用電動(dòng)執行器有風(fēng)閥執行器和水閥執行器。

　　2.調節機構

　　(1)電磁閥。電磁閥能和雙位調節器組成簡(jiǎn)單的控制系統，可分直動(dòng)式和先導式二種。

　　1)直動(dòng)式電磁閥。

　　2)先導式電磁閥的工作原理：由導閥和主閥組成，它的動(dòng)作特點(diǎn)是通過(guò)導閥的先導作用，使主閥發(fā)生開(kāi)閉動(dòng)作。

　　(2)電動(dòng)調節閥。以交流電源為動(dòng)力，接受標準直流信號，將其轉變?yōu)橄鄳拈_(kāi)度(0～100%)。以實(shí)現對流量、壓力、溫度、液位的調節。

　　(3)風(fēng)門(mén)(閥)