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　　自动控制系统组成和设备

　　第二节　自动控制系统

　　17-18年5题，自动控制系统组成1题，自动控制系统设备1题，常用的控制系统1题，检测仪表2题，自动控制系统的安装0题，工程量计算0题。

　　19年5题，自动控制系统组成1题，自动控制系统设备1题，常用的控制系统0题，检测仪表2题，自动控制系统的安装1题，工程量计算0题。

　　一、自动控制系统的组成

　　(一)自动控制系统的组成

　　(1)被控对象。是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。

　　(2)控制器。接收变换和放大后的偏差信号，转换为被控对象进行操作的控制信号。

　　(3)放大变换环节。将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。

　　(4)校正装置。为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中，称为串联校正装置;如果校正装置接成反馈形式，称为并联校正装置，又称局部反馈校正。

　　(5)反馈环节。用来测量被控量的实际值，并经过信号处理，转换为与被控量有一定函数关系，且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。

　　(6)给定环节。产生输入控制信号的装置。

　　(二)自动控制系统的常用术语

　　(1)输入信号。泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号，既包括控制信号又包括扰动信号，其中控制信号又称控制量、参考输入或给定值。

　　(2)输出信号(输出量)。是指反馈控制系统中被控制的物理量，它与输入信号之间有一定的函数关系。

　　(3)反馈信号。将系统(环节)的输出信号经过变换、处理送到系统(环节)的输入端的信号称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端，这种反馈信号称主反馈信号，而其他称为局部反馈信号。

　　(4)偏差信号。控制输入信号与主反馈信号之差。

　　(5)误差信号。是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在，它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。

　　在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入信号，误差信号等于偏差信号。

　　(6)扰动信号。除控制信号之外，对系统的输出有影响的信号。

　　(三)自动控制系统的类型

　　根据反馈的方法有单回路系统，多回路系统，比值系统，复合系统。

　　1.单回路系统。只有一个控制变量组成的单环反馈系统称单回路系统。

　　2.多回路系统。被控制变量变化较为复杂，即动态特性较为复杂，滞性很大，采用单回路控制不能满足要求。通常对变量进行分析后，寻找另外控制其变化的辅助变量，作为辅助控制信号，回送到调节器，共同完成对变量的调整与控制，这就组成了多回路系统。

　　3.比值系统。有些控制变量无法测量，只能用另一种可以测量的中间变量，测量计算后，转换计算出这控制量，或直接对控制变量进行调整，达不到生产或工艺要求，需有一个能自动跟随的控制系统辅助调节，以达到对控制变量的进一步调节，这种控制系统称比值系统。

　　4.复合系统。

　　二、自动控制系统设备

　　(一)传感器

　　测量某一非电的物理量，如温度、湿度、压力等常用的物理量时，首先要把该非电量的参数转变为一电量参数，这种将非电量参数转变成电量参数的装置叫做传感器。

　　1.温度传感器

　　(1)热电阻特性传感器。在测量低于150℃温度时，常用　金属导体的电阻随温度变化的特性进行测温。感温材料中首选　　铜、铂和镍。

　　铂金属精度高，稳定性好，性能可靠，但铂属于贵重金属，价格高。

　　铜金属制成热电阻，缺点是电阻率低，所以做成一样的热电阻，铜电阻要更细更长，机械强度差，体积也大些。另外铜易氧化，只能在低温及没有浸蚀性介质中工作。

　　用镍制成的热电阻，正好能弥补铜电阻缺陷，价格又比铂低。

　　在高精度、高稳定性的测量回路中通常用铂热电阻材料的传感器;要求一般、具有较稳定性能的测量回路可用镍电阻传感器;档次低，只有一般要求时，可选用铜电阻传感器。

　　在使用热电阻测温时，要充分注意热电阻与外部导线的连接，不管外接导线长短，必须使导线电阻符合规定值(一般为5Ω)，如果不足，用锰铜电阻丝补齐。为了提高测量精度，常用三线热电阻电桥测量法。

　　半导体的体电阻对温度的感受灵敏度特别高，在一些精度要求不高的测量和控制电路中得到充分应用。半导体体电阻灵敏度比其他金属电阻高一个数量级，作为热敏电阻时，测量和放大线路非常简单。

　　(2)热电势传感器

　　1)以热电偶为材料的热电势传感器

　　两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个不同材料接点处温度不同，回路中就会出现热电动势。接触电动势取决于两种材料的种类和接触点的温度，这种装置称为热电偶。

　　铂及其合金属于贵金属，其组成的热电偶价格最贵，优点是热电势非常稳定。

　　铜、康铜价格最便宜。

　　居中为镍铬-考铜，且它的灵敏度又最高。

　　表6.2.2　　　　　　常用热电偶

　　2)以半导体PN结为材料的热电势传感器。利用温度变化造成半导体PN结结电压变化的传感器，称为热电势传感器。常用的集成温度传感器，就是这种热电势传感器，该传感器使用方便，工作可靠，价格便宜，且具有高精度的放大电路，输出阻抗高，适用于远距离传输。

　　2.压力传感器

　　压力传感器是将压力转换成电流或电压的部件。可用于测量压力和物体的位移。

　　(1)利用金属弹性制成的压力传感器。最常用弹性测量元件有弹簧、弹簧管、波纹管和弹性膜片，这些测压元件是先将压力变化转换成位移的变化，再将位移的变化通过磁电或其它电学的方法，转成能方便检测、处理、显示的电学量。

　　1)电阻式压差传感器。将测压弹性元件的输出位移变换成电阻的滑动触点的位移，因而被测压力的变化就可转换成电位器阻值的变化，电桥输出一不平衡电压，来测量压力。

　　2)电容式压差传感器。最常见的一种压力传感器，用二块弹性强度性能好的金属平板，作为差动可变电容器的二个活动电极，被测压力分别置于二块金属平板两侧，在压力的作用下，能产生相应位移，当可动极板与另一电极的距离发生变化时，则相应的平板电容器的容量发生变化，最后由变送器将变化的电容转换成相应的电压或电流。

　　3)霍尔压力传感器。将弹性元件感受的压力变化引起的位移通过霍尔元件转换成电压信号，霍尔元件是一块半导体元件。压力式传感器只能用在测量动态压力和快速脉动的压力上。

　　(2)压电传感器。利用某些材料的压电效应原理制成的，具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。

　　3.流量传感器

　　常用节流式、速度式、容积式和电磁式。

　　(1)节流式。在被测管道上安装一节流器件，如孔板、喷嘴、靶、转子等，使流体流过这些阻挡体时，根据流体对节流元件的推力和节流元件前后的压力差，来测定流量的大小。

　　1)压差式流量计。精度稍差，但结构简单，制造方便，是一种常用的流量测量仪器。

　　2)靶式流量计。经常用于高粘度的流体，如重油、沥青等流量的测量，也适用于有悬浮物，沉淀物的流体。

　　3)转子流量计。转子放在一圆锥型测量管道中，当被测流体自下而流入时，转子前后产生一压差，转子平衡位置的高低反映流量的大小，用电路把转子的位置转换成电信号，反映了流量大小。

　　(2)速度式。常用的是涡流流量计。

　　为了提高测量精度，在涡轮前后均装有导流器和一段直管，入口直段的长度应为管径10倍，出口长度应为管径的5倍。涡轮流量计线性好，反映灵敏，但只能在清洁流体中使用。

　　光纤式涡轮传感器具有重现性和稳定性能好，不受环境、电磁、温度等因素的干扰的优点，显示迅速，测量范围大的优点，缺点是只能用来测量透明的气体和液体。

　　(3)容积式。通常有椭圆齿轮流量计，只要椭圆齿轮加工精确，防止腐蚀的磨损，则可达到极高的测量精度，一般可达到0.2～0.55%，所以经常用作为精密测量用，该流量计经常用于高精度的流体测量。

　　(4)电磁式。常用在测量导电液体流量上。优点是管道中不设任何节流元件，因此可以测量各种粘度的导电液体，特别适合测量含有各种纤维和固体污物的腐体，此外对腐蚀性液体也适用。除了测量管中一对电极与流体接触，没有其它零件接触，工作可靠，精度高，线性好，测量范围大，反应速度又快。

　　4.液位检测传感器

　　(1)电阻式液位传感器。利用液体的电阻来作为监控的对象。结构简单，价格便宜，但只能用于无腐蚀液体中，否则液体的腐蚀会使弹簧的弹性系数发生变化，给测量带来误差。

　　电阻式液位计

　　(2)电容式液位传感器。电容式液位计是利用电容变化测量液体液位变化的测量仪器。

　　(二)调节装置

　　1.位置调节

　　位置调节分双位调节和三位调节

　　(1)双位调节。双位调节机构简单，动作可靠，在空调系统中有广泛应用。空调系统中的风机盘管温控器就是典型的双位调节。

　　(2)三位调节。在定压供水系统中，经常采用三位调节。

　　三位调节系统有三个位置，全开，中间，全闭。

　　位置调节在调节精度要求不高的地方比较合适，一般用于温度，液位的调节。

　　2.比例调节(P)

　　比例调节器的特点是调节速度快，稳定性高，不容易产生过调节现象。

　　缺点是调节过程最终有残余偏差，而且被调查参数不能回到给定值，特别是负载变化幅度较大时，残余偏差更大。

　　比例调节通常是在调节精度要求不是太高，调节时允许有残余偏差场合，如在工艺过程中流量变化，工艺要求变化快的地方，像锅炉水位控制，高容量贮罐中压力、流量的调节。

　　3.积分调节(I)

　　积分调节多用于压力、流量和液位的调节上，而不能用在温度计。因为温度的调节滞后现象大，调节结果容易调成位置调节，而真正要做到无偏差调节，则更多地用比例积分调节。

　　4.比例积分调节(PI)

　　调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，同时还与偏差存在的时间长短成比例。

　　5.比例微分调节(PD)

　　调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，同时还与偏差的变化速度有关。

　　6.比例积分-微分调节(PID)

　　调节器输出信号不仅与输入偏差信号大小有关，与偏差存在时间长短有关，还与偏差变化的速度有关，引入微分环节可以大大改善惯性滞后较大系统的调节品质。

　　PID调节用在惯性滞后大的场合，如温度测量等。

　　(三)终端设备

　　1.执行机构

　　执行机构按照运动方式，分角行程执行机构和直行程执行机构。

　　按照执行机构所用的辅助能源，可分为气动、电动和液动三种。

　　电动执行机械接受标准直流信号(DC0～10V，4～20mA)。通用电动执行器有风阀执行器和水阀执行器。

　　2.调节机构

　　(1)电磁阀。电磁阀能和双位调节器组成简单的控制系统，可分直动式和先导式二种。

　　1)直动式电磁阀。

　　2)先导式电磁阀的工作原理：由导阀和主阀组成，它的动作特点是通过导阀的先导作用，使主阀发生开闭动作。

　　(2)电动调节阀。以交流电源为动力，接受标准直流信号，将其转变为相应的开度(0～100%)。以实现对流量、压力、温度、液位的调节。

　　(3)风门(阀)

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