自動控制系統(tǒng)的基本元件與設(shè)備

27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系1/25《自動化導(dǎo)論》南京大學(xué)工程管理學(xué)院周獻中zhouxz@《IntroductiontoAutomation》27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系2/25第五章自動控制系統(tǒng)的基本元件與設(shè)備5.1信息獲取元件——傳感器5.2信息傳輸設(shè)備——信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)5.3信息處理設(shè)備——控制器5.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系3/255.1信息獲取元件——傳感器自動控制系統(tǒng)的信息獲取是通過測量實現(xiàn)的。什么是測量？定義:測量就是以同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量與被測量比較，并確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)量稱為單位量，測量的結(jié)果稱為測量量。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系4/255.1信息獲取元件——傳感器用什么來測量？在自動化系統(tǒng)中,實現(xiàn)測量任務(wù)的元器件被稱為信息獲取元件,主要是各種傳感器。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系5/255.1信息獲取元件——傳感器什么是傳感器？關(guān)于傳感器的定義,有很多種說法,一般有廣義和狹義之分,傳感器廣義上的定義是“能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置”；而傳感器狹義上的定義是“一種將物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康臋C械電子裝置”。傳感器的英文sensor，比中文更傳神！顧名思義，就是可以像我們的身體器官一樣感受周圍環(huán)境的一種裝置。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系6/255.1信息獲取元件——傳感器具體來說，傳感器就是一個具有輸入和輸出的系統(tǒng)。圖(a)表示自激發(fā)式傳感器系統(tǒng)，而圖(b)則表示調(diào)制式傳感器系統(tǒng).什么是傳感器？27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系7/255.1信息獲取元件——傳感器傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中,敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分,轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的信號部分。傳感器的組成27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系8/255.1信息獲取元件——傳感器1）按傳感器測量原理分類,傳感器可分為電阻式傳感器、電容式傳感器和超聲波傳感器2）按信號變換特征分類,傳感器可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。3）按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系,傳感器可分為能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型。4）按被測量分類即按用途分類，傳感器可分為三大類:(1)按傳感器上所依據(jù)轉(zhuǎn)換原理可分為:物理、化學(xué)、生物傳感器等；(2)按傳感器測量量的性質(zhì)可分為:壓力、加速度、氣體濃度、離子濃度等；(3)按傳感器應(yīng)用可分為:汽車、醫(yī)學(xué)、航天等。傳感器的分類27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系9/255.1信息獲取元件——傳感器幾種常見的傳感器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系10/255.1信息獲取元件——傳感器新型汽車主要傳感器分布圖27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系11/255.2信息傳輸設(shè)備——信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)自動控制系統(tǒng)中信息傳輸自動控制系統(tǒng)的信息傳輸要求具有快速性、可靠性和準(zhǔn)確性,但這些性能的保證要受信息傳輸環(huán)節(jié)的影響,傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異決定了系統(tǒng)信息傳輸?shù)奶攸c和性能。自動控制系統(tǒng)按照其信息傳輸?shù)耐緩胶吞攸c可以分為“點對點控制系統(tǒng)”和“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”兩大類。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系12/255.2信息傳輸設(shè)備——信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)點對點控制系統(tǒng)傳統(tǒng)控制理論研究的系統(tǒng)大多是“點對點控制系統(tǒng)”,其結(jié)構(gòu)也就是一般反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖所示,它認(rèn)為系統(tǒng)中信息由一個元件向下一個元件的傳輸是立即發(fā)出并立即到達的,可以認(rèn)為沒有傳輸?shù)臅r間延遲（時延）。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系13/255.2信息傳輸設(shè)備——信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”的信息傳輸要經(jīng)過通訊網(wǎng)絡(luò),其信號的傳輸相對比較復(fù)雜,如存在傳輸時延和數(shù)據(jù)包的丟失等現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)過程控制及小型局域系統(tǒng)（如航天器、船舶和新型高性能汽車等）中；由于將通訊網(wǎng)絡(luò)引入了實際控制系統(tǒng),系統(tǒng)的信號傳輸要經(jīng)過實時網(wǎng)絡(luò),從而使系統(tǒng)的分析和設(shè)計變得比較復(fù)雜。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系14/255.2信息傳輸設(shè)備——信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)自動控制系統(tǒng)的信息傳播網(wǎng)絡(luò)的特點（1）高實時性要求（2）高可靠、高安全性要求（3）良好的確定性要求27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系15/255.2信息傳輸設(shè)備——信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)控制網(wǎng)絡(luò)要將現(xiàn)場運行的各種信息傳送到遠離現(xiàn)場的控制室,在將生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室的同時,又將各種控制、維護、組態(tài)命令等送往位于現(xiàn)場的測量控制現(xiàn)場設(shè)備中,起著提供現(xiàn)場級控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)聯(lián)系與溝通的作用。同時控制網(wǎng)絡(luò)還要在與操作終端、上層管理網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)連接和信息共享中發(fā)揮作用。近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)開始對現(xiàn)場設(shè)備提出了參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽和遠程監(jiān)控的要求。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系16/255.3信息處理設(shè)備——控制器控制器的作用控制器的作用是把控制對象輸出的實際值和參考輸入（參據(jù)量）進行比較,以得到偏差,并根據(jù)偏差產(chǎn)生一個控制信號,使偏差減小期望的范圍。自動控制以這種方式產(chǎn)生控制信號,稱為控制作用。簡單地說,控制器即是指在控制系統(tǒng)中根據(jù)控制算法而進行決策的裝置。在自動控制系統(tǒng)中,控制器是其核心,一個控制系統(tǒng)的設(shè)計工作主要任務(wù)是設(shè)計合適的控制器以達到控制目的。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系17/255.3信息處理設(shè)備——控制器控制器的分類如果按照控制器所采用的控制方法來分類，主要有:PID控制器（目前是工程上最常用的模擬控制器）智能控制器模糊控制器、專家系統(tǒng)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等等。在這里,控制器的分類是一個發(fā)展的概念,隨著控制方法的日新月異,新的控制器也將不斷出現(xiàn)。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系18/255.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器執(zhí)行器的作用執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的功率部件,是被控制對象的直接驅(qū)動裝置,控制器的指令一般要通過執(zhí)行器得以實現(xiàn),而執(zhí)行器的驅(qū)動輸出取決于控制器的控制作用。從信息傳輸和處理角度看,執(zhí)行器是信息處理的落足點,是信息流對能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換裝置,執(zhí)行器可實現(xiàn)對信息的應(yīng)用,將控制信號變換為導(dǎo)致被控量按要求變化所需要的能量或物質(zhì)。27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系19/255.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器常用工業(yè)執(zhí)行器電磁鐵和電磁繼電器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系20/255.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器變壓器常用工業(yè)執(zhí)行器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系21/255.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器直流電機常用工業(yè)執(zhí)行器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系22/255.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器交流電機常用工業(yè)執(zhí)行器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系23/255.4信息應(yīng)用設(shè)備——執(zhí)行器步進電機常用工業(yè)執(zhí)行器27十月2024南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系24/25本章小結(jié)一個具有反饋結(jié)構(gòu)的自動控制系統(tǒng),其本質(zhì)是信息的處理和控制,其功能的發(fā)揮必須通過一系列基本元件和設(shè)備來完成,其中最關(guān)鍵的基本元件和設(shè)備是傳感器、控制器和執(zhí)行器。自動控制系統(tǒng)的信息獲取主要是通過各種傳感器的感測實現(xiàn)的。在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中,往往存在多種不同特性的傳感器,因此學(xué)習(xí)并掌握不同傳感器的原理和特性對完成自動控制系統(tǒng)的設(shè)計十分重要。控制器是整個自動控制系統(tǒng)的“大腦”,也是整個控制系統(tǒng)的核心?？刂破鞯慕M成會根據(jù)控制要求和設(shè)計要求各不