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　　自動控制系統(tǒng)組成和設(shè)備

　　第二節(jié)　自動控制系統(tǒng)

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

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

　　一、自動控制系統(tǒng)的組成

　　(一)自動控制系統(tǒng)的組成

　　(1)被控對象。是控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換為被控對象進行操作的控制信號。

　　(3)放大變換環(huán)節(jié)。將偏差信號變換為適合控制器執(zhí)行的信號。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)。用來測量被控量的實際值，并經(jīng)過信號處理，轉(zhuǎn)換為與被控量有一定函數(shù)關(guān)系，且與輸入信號同一物理量的信號。反饋環(huán)節(jié)一般也稱為測量變送環(huán)節(jié)。

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

　　(二)自動控制系統(tǒng)的常用術(shù)語

　　(1)輸入信號。泛指對系統(tǒng)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信號，其中控制信號又稱控制量、參考輸入或給定值。

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

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

　　(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(tǒng)輸出量的實際值與希望值之差。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)系的信號來表示。

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

　　(6)擾動信號。除控制信號之外，對系統(tǒng)的輸出有影響的信號。

　　(三)自動控制系統(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。通常對變量進行分析后，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(diào)節(jié)器，共同完成對變量的調(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量，只能用另一種可以測量的中間變量，測量計算后，轉(zhuǎn)換計算出這控制量，或直接對控制變量進行調(diào)整，達不到生產(chǎn)或工藝要求，需有一個能自動跟隨的控制系統(tǒng)輔助調(diào)節(jié)，以達到對控制變量的進一步調(diào)節(jié)，這種控制系統(tǒng)稱比值系統(tǒng)。

　　4.復(fù)合系統(tǒng)。

　　二、自動控制系統(tǒng)設(shè)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，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。在測量低于150℃溫度時，常用　金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性進行測溫。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，價格高。

　　銅金屬制成熱電阻，缺點是電阻率低，所以做成一樣的熱電阻，銅電阻要更細更長，機械強度差，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，正好能彌補銅電阻缺陷，價格又比鉑低。

　　在高精度、高穩(wěn)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(wěn)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，可選用銅電阻傳感器。

　　在使用熱電阻測溫時，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，用錳銅電阻絲補齊。為了提高測量精度，常用三線熱電阻電橋測量法。

　　半導(dǎo)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(yīng)用。半導(dǎo)體體電阻靈敏度比其他金屬電阻高一個數(shù)量級，作為熱敏電阻時，測量和放大線路非常簡單。

　　(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(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路時，若兩個不同材料接點處溫度不同，回路中就會出現(xiàn)熱電動勢。接觸電動勢取決于兩種材料的種類和接觸點的溫度，這種裝置稱為熱電偶。

　　鉑及其合金屬于貴金屬，其組成的熱電偶價格最貴，優(yōu)點是熱電勢非常穩(wěn)定。

　　銅、康銅價格最便宜。

　　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(zhuǎn)換成電流或電壓的部件。可用于測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(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、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觸點的位移，因而被測壓力的變化就可轉(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，用二塊彈性強度性能好的金屬平板，作為差動可變電容器的二個活動電極，被測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，當可動極板與另一電極的距離發(fā)生變化時，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，霍爾元件是一塊半導(dǎo)體元件。壓力式傳感器只能用在測量動態(tài)壓力和快速脈動的壓力上。

　　(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，根據(jù)流體對節(jié)流元件的推力和節(jié)流元件前后的壓力差，來測定流量的大小。

　　1)壓差式流量計。精度稍差，但結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，是一種常用的流量測量儀器。

　　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(zhuǎn)子流量計。轉(zhuǎn)子放在一圓錐型測量管道中，當被測流體自下而流入時，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，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(dǎo)流器和一段直管，入口直段的長度應(yīng)為管徑10倍，出口長度應(yīng)為管徑的5倍。渦輪流量計線性好，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，顯示迅速，測量范圍大的優(yōu)點，缺點是只能用來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(dǎo)電液體流量上。優(yōu)點是管道中不設(shè)任何節(jié)流元件，因此可以測量各種粘度的導(dǎo)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，沒有其它零件接觸，工作可靠，精度高，線性好，測量范圍大，反應(yīng)速度又快。

　　4.液位檢測傳感器

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

　　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儀器。

　　(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)機構(gòu)簡單，動作可靠，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，特別是負載變化幅度較大時，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)時允許有殘余偏差場合，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。因為溫度的調(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)器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關(guān)系，同時還與偏差存在的時間長短成比例。

　　5.比例微分調(diào)節(jié)(PD)

　　調(diào)節(jié)器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關(guān)系，同時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)器輸出信號不僅與輸入偏差信號大小有關(guān)，與偏差存在時間長短有關(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合，如溫度測量等。

　　(三)終端設(shè)備

　　1.執(zhí)行機構(gòu)

　　執(zhí)行機構(gòu)按照運動方式，分角行程執(zhí)行機構(gòu)和直行程執(zhí)行機構(gòu)。

　　按照執(zhí)行機構(gòu)所用的輔助能源，可分為氣動、電動和液動三種。

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

　　2.調(diào)節(jié)機構(gòu)

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

　　1)直動式電磁閥。

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

　　(2)電動調(diào)節(jié)閥。以交流電源為動力，接受標準直流信號，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的開度(0～100%)。以實現(xiàn)對流量、壓力、溫度、液位的調(diào)節(jié)。

　　(3)風(fēng)門(閥)

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