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　　自動(dòng)控制系統(tǒng)組成和設(shè)備

　　第二節(jié)　自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　17-18年5題，自動(dòng)控制系統(tǒng)組成1題，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備1題，常用的控制系統(tǒng)1題，檢測(cè)儀表2題，自動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝0題，工程量計(jì)算0題。

　　19年5題，自動(dòng)控制系統(tǒng)組成1題，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備1題，常用的控制系統(tǒng)0題，檢測(cè)儀表2題，自動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝1題，工程量計(jì)算0題。

　　一、自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

　　(一)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

　　(1)被控對(duì)象。是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)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(hào)，轉(zhuǎn)換為被控對(duì)象進(jìn)行操作的控制信號(hào)。

　　(3)放大變換環(huán)節(jié)。將偏差信號(hào)變換為適合控制器執(zhí)行的信號(hào)。它根據(jù)控制的形式、幅值及功率來放大變換。

　　(4)校正裝置。為改善系統(tǒng)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(tǒng)的前向通道中，稱為串聯(lián)校正裝置;如果校正裝置接成反饋形式，稱為并聯(lián)校正裝置，又稱局部反饋校正。

　　(5)反饋環(huán)節(jié)。用來測(cè)量被控量的實(shí)際值，并經(jīng)過信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換為與被控量有一定函數(shù)關(guān)系，且與輸入信號(hào)同一物理量的信號(hào)。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測(cè)量變送環(huán)節(jié)。

　　(6)給定環(huán)節(jié)。產(chǎn)生輸入控制信號(hào)的裝置。

　　(二)自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用術(shù)語(yǔ)

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

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

　　(3)反饋信號(hào)。將系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的輸出信號(hào)經(jīng)過變換、處理送到系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的輸入端的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。若此信號(hào)是從系統(tǒng)輸出端取出送入系統(tǒng)輸入端，這種反饋信號(hào)稱主反饋信號(hào)，而其他稱為局部反饋信號(hào)。

　　(4)偏差信號(hào)�？刂戚斎胄盘�(hào)與主反饋信號(hào)之差。

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

　　在單位反饋情況下，希望值就是系統(tǒng)的輸入信號(hào)，誤差信號(hào)等于偏差信號(hào)。

　　(6)擾動(dòng)信號(hào)。除控制信號(hào)之外，對(duì)系統(tǒng)的輸出有影響的信號(hào)。

　　(三)自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型

　　根據(jù)反饋的方法有單回路系統(tǒng)，多回路系統(tǒng)，比值系統(tǒng)，復(fù)合系統(tǒng)。

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

　　2.多回路系統(tǒng)。被控制變量變化較為復(fù)雜，即動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜，滯性很大，采用單回路控制不能滿足要求。通常對(duì)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(hào)，回送到調(diào)節(jié)器，共同完成對(duì)變量的調(diào)整與控制，這就組成了多回路系統(tǒng)。

　　3.比值系統(tǒng)。有些控制變量無法測(cè)量，只能用另一種可以測(cè)量的中間變量，測(cè)量計(jì)算后，轉(zhuǎn)換計(jì)算出這控制量，或直接對(duì)控制變量進(jìn)行調(diào)整，達(dá)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(tǒng)輔助調(diào)節(jié)，以達(dá)到對(duì)控制變量的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，這種控制系統(tǒng)稱比值系統(tǒng)。

　　4.復(fù)合系統(tǒng)。

　　二、自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備

　　(一)傳感器

　　測(cè)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(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐浑娏繀?shù)，這種將非電量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電量參數(shù)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(cè)量低于150℃溫度時(shí)，常用　金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)溫。感溫材料中首選　　銅、鉑和鎳。

　　鉑金屬精度高，穩(wěn)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(xì)更長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度差，體積也大些。另外銅易氧化，只能在低溫及沒有浸蝕性介質(zhì)中工作。

　　用鎳制成的熱電阻，正好能彌補(bǔ)銅電阻缺陷，價(jià)格又比鉑低。

　　在高精度、高穩(wěn)定性的測(cè)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(wěn)定性能的測(cè)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(cè)溫時(shí)，要充分注意熱電阻與外部導(dǎo)線的連接，不管外接導(dǎo)線長(zhǎng)短，必須使導(dǎo)線電阻符合規(guī)定值(一般為5Ω)，如果不足，用錳銅電阻絲補(bǔ)齊。為了提高測(cè)量精度，常用三線熱電阻電橋測(cè)量法。

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

　　(2)熱電勢(shì)傳感器

　　1)以熱電偶為材料的熱電勢(shì)傳感器

　　兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)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(xiàn)熱電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)取決于兩種材料的種類和接觸點(diǎn)的溫度，這種裝置稱為熱電偶。

　　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(shì)非常穩(wěn)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(dǎo)體PN結(jié)為材料的熱電勢(shì)傳感器。利用溫度變化造成半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)電壓變化的傳感器，稱為熱電勢(shì)傳感器。常用的集成溫度傳感器，就是這種熱電勢(shì)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(yuǎn)距離傳輸。

　　2.壓力傳感器

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

　　(1)利用金屬?gòu)椥灾瞥傻膲毫鞲衅�。最常用彈性測(cè)量元件有彈簧、彈簧管、波紋管和彈性膜片，這些測(cè)壓元件是先將壓力變化轉(zhuǎn)換成位移的變化，再將位移的變化通過磁電或其它電學(xué)的方法，轉(zhuǎn)成能方便檢測(cè)、處理、顯示的電學(xué)量。

　　1)電阻式壓差傳感器。將測(cè)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(cè)壓力的變化就可轉(zhuǎn)換成電位器阻值的變化，電橋輸出一不平衡電壓，來測(cè)量壓力。

　　2)電容式壓差傳感器。最常見的一種壓力傳感器，用二塊彈性強(qiáng)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(cè)壓力分別置于二塊金屬平板兩側(cè)，在壓力的作用下，能產(chǎn)生相應(yīng)位移，當(dāng)可動(dòng)極板與另一電極的距離發(fā)生變化時(shí)，則相應(yīng)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(zhuǎn)換成相應(yīng)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霍爾元件轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，霍爾元件是一塊半導(dǎo)體元件。壓力式傳感器只能用在測(cè)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(yīng)原理制成的，具有這種效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。

　　3.流量傳感器

　　常用節(jié)流式、速度式、容積式和電磁式。

　　(1)節(jié)流式。在被測(cè)管道上安裝一節(jié)流器件，如孔板、噴嘴、靶、轉(zhuǎn)子等，使流體流過這些阻擋體時(shí)，根據(jù)流體對(duì)節(jié)流元件的推力和節(jié)流元件前后的壓力差，來測(cè)定流量的大小。

　　1)壓差式流量計(jì)。精度稍差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，是一種常用的流量測(cè)量?jī)x器。

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

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

　　(2)速度式。常用的是渦流流量計(jì)。

　　為了提高測(cè)量精度，在渦輪前后均裝有導(dǎo)流器和一段直管，入口直段的長(zhǎng)度應(yīng)為管徑10倍，出口長(zhǎng)度應(yīng)為管徑的5倍。渦輪流量計(jì)線性好，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(xiàn)性和穩(wěn)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(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是只能用來測(cè)量透明的氣體和液體。

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

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

　　4.液位檢測(cè)傳感器

　　(1)電阻式液位傳感器。利用液體的電阻來作為監(jiān)控的對(duì)象。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但只能用于無腐蝕液體中，否則液體的腐蝕會(huì)使彈簧的彈性系數(shù)發(fā)生變化，給測(cè)量帶來誤差。

　　電阻式液位計(jì)

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

　　(二)調(diào)節(jié)裝置

　　1.位置調(diào)節(jié)

　　位置調(diào)節(jié)分雙位調(diào)節(jié)和三位調(diào)節(jié)

　　(1)雙位調(diào)節(jié)。雙位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，在空調(diào)系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用�？照{(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)盤管溫控器就是典型的雙位調(diào)節(jié)。

　　(2)三位調(diào)節(jié)。在定壓供水系統(tǒng)中，經(jīng)常采用三位調(diào)節(jié)。

　　三位調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三個(gè)位置，全開，中間，全閉。

　　位置調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)精度要求不高的地方比較合適，一般用于溫度，液位的調(diào)節(jié)。

　　2.比例調(diào)節(jié)(P)

　　比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度快，穩(wěn)定性高，不容易產(chǎn)生過調(diào)節(jié)現(xiàn)象。

　　缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)過程最終有殘余偏差，而且被調(diào)查參數(shù)不能回到給定值，特別是負(fù)載變化幅度較大時(shí)，殘余偏差更大。

　　比例調(diào)節(jié)通常是在調(diào)節(jié)精度要求不是太高，調(diào)節(jié)時(shí)允許有殘余偏差場(chǎng)合，如在工藝過程中流量變化，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(diào)節(jié)。

　　3.積分調(diào)節(jié)(I)

　　積分調(diào)節(jié)多用于壓力、流量和液位的調(diào)節(jié)上，而不能用在溫度計(jì)。因?yàn)闇囟鹊恼{(diào)節(jié)滯后現(xiàn)象大，調(diào)節(jié)結(jié)果容易調(diào)成位置調(diào)節(jié)，而真正要做到無偏差調(diào)節(jié)，則更多地用比例積分調(diào)節(jié)。

　　4.比例積分調(diào)節(jié)(PI)

　　調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)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(zhǎng)短成比例。

　　5.比例微分調(diào)節(jié)(PD)

　　調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)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(diào)節(jié)(PID)

　　調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)不僅與輸入偏差信號(hào)大小有關(guān)，與偏差存在時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，還與偏差變化的速度有關(guān)，引入微分環(huán)節(jié)可以大大改善慣性滯后較大系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

　　PID調(diào)節(jié)用在慣性滯后大的場(chǎng)合，如溫度測(cè)量等。

　　(三)終端設(shè)備

　　1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照運(yùn)動(dòng)方式，分角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)和直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhí)行機(jī)械接受標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)(DC0～10V，4～20mA)。通用電動(dòng)執(zhí)行器有風(fēng)閥執(zhí)行器和水閥執(zhí)行器。

　　2.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

　　(1)電磁閥。電磁閥能和雙位調(diào)節(jié)器組成簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，可分直動(dòng)式和先導(dǎo)式二種。

　　1)直動(dòng)式電磁閥。

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

　　(2)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。以交流電源為動(dòng)力，接受標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的開度(0～100%)。以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量、壓力、溫度、液位的調(diào)節(jié)。

　　(3)風(fēng)門(閥)

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