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1、测控原理及其实现 实例一 一般热电偶的分度表 输出特性 是在冷端为0 时给出的 若测量时冷端不为0 则可据此修正 热电偶 补偿导线 装配式热电偶 镍铬 铜镍热电偶 高温贵金属热电偶 微细铠装热电偶 压簧固定热电偶 手柄式铠装热电偶 热电阻 温度变送器 采用热电偶 热电阻作为测温元件 从测温元件输出信号送到变送器模块 经过稳压滤波 运算放大 非线性校正 V I转换 恒流及反向保护等电路处理后 转换成与温度成线性关系的4 20mA电流信号0 5V 0 10V电压信号 RS485数字信号输出 厂家提供编程软件 用梯形图编程 PLC作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 接口容易 编程语言易
2、于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近 只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能 继电接触器控制 PLC控制 PLC简介 继电器控制 PLC控制 软件编程 硬件编程 它可以实现用微弱的控制信号 几毫安到几十毫安 控制0 1A直至几百A电流负载 进行无触点接通或分断 固体继电器是一种四端器件 两个输入端 两个输出端 输入端接控制信号 输出端与负载 电源串联 SSR固态继电器 SSR SolidStateRelay 它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合 而且没有任何可动部件或触点 却能实现电磁继电器的功能 故称为
3、固态继电器 实际上是一种带光电耦合器的无触点开关 固态继电器输入控制电流小 输出无触点 具有体积小 重量轻 无机械噪声 无抖动和回跳 开关速度快 工作可靠 寿命长等优点 实例二 单片机 单片机是一种可编程的集成芯片 底层开发 程序编写用汇编或者c语言 MCS 51单片机的结构框图 可控硅 SiliconControlledRectifier SCR 又称晶闸管 是一种大功率的半导体器件 具有体积小 效率高 寿命长 用小功率控制大功率 开关无触点等特点 在交直流电机调速系统 调功系统 随动系统中应用广泛 单向晶闸管具有单向导电功能 在控制系统中多用于直流大电流场合 也可在交流系统中用于大功率整流
4、回路 双向晶闸管 在结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联 但共享一个控制极 具有双向导通功能 因此特别适用于交流大电流场合 晶闸管的驱动控制方法 1 RC吸收网络 降低感性负载在关断瞬间高压 2 可以利用电源与RC串联后吸收缓冲 还能起到开关断开时消弧作用 A D转换 定义 A D转换 实例三 计算机位式控制 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路 它一般直接驱动负载 带载能力要强 功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级 在很多电子设备中 要求放大电路的输出级能够带动某种负载 例如驱动仪表 使指针偏转 驱动扬声器 使之发声 或驱动自动控制系统中的执行机构等 总之 要求放大电路有足够
5、大的输出功率 这样的放大电路统称为功率放大电路 大功率场效应管 大功率场效应管输入阻抗高 关断漏电流小 响应速度快 而且与同功率继电器相比 体积较小 价格便宜 所以在开关量输出控制中也常作为开关元件使用 半导体制热制冷 开关控制电路是指具有 接通 和 断开 两种状态的电路 输入 输出信号具有两种状态的电路就是一种开关电路 逻辑门电路 双稳态触发器也都是开关电路 开关电路的原理是由开关管和PWM PulseWidthModulatioon 控制芯片构成振荡电路 产生高频脉冲 将高压整流滤波电路产生的高压直流电变成高频脉冲直流电 送到主变压器降压 变成低频脉冲直流电 三极管用来驱动继电器 必须将三
6、极管的发射极接地 具体电路如下 继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间 当输入为0V时 三极管截止 继电器线圈无电流流过 则继电器释放 OFF 相反 当输入为 VCC时 三极管饱和 继电器线圈有相当的电流流过 则继电器吸合 ON 电路中各元器件的作用 三极管T1可视为控制开关 电阻R1主要起限流作用 降低管T1功耗 阻值为2K 电阻R2使管T1可靠截止 阻值为5 1K 二极管D1反向续流 抑制浪涌 一般选1N4148即可 集成电路2003驱动继电器左图1 7是信号输入 IN 10 16是输出信号 OUT 8和9是集成电路电源 右图是集成块内部原理图 根据集成电路驱动器2003的输入输
7、出特性 简称 驱动器 反向器 放大器 等 当2003输入端为高电平时 对应的输出口输出低电平 继电器线圈通电 继电器触点吸合 当2003输入端为低电平时 继电器线圈断电 继电器触点断开 在2003内部已集成起反向续流作用的二极管 因此可直接用它驱动继电器 电磁式继电器 属于一种微电控制器件 一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器 在电路中起着自动调节安全保护转换电路等作用 电磁式继电器 主要由线圈 铁芯 衔铁和触点等部件组成 通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点开关闭合或断开 从而使外部高电压或大电流与微型机隔开 继电器的选择 控制电路的电源电压 能提供的最大电流 被控制电
8、路中的电压和电流 被控电路需要几组 什么形式的触点 控制电路应能给继电器提供足够的工作电流 否则继电器吸合不稳定 继电器与接触器 1 继电器的触头容量一般不会超过5A 小型继电器的触头容量一般只有1A或2A而接触器的触头容量最小也有10A到20A 2 继电器的线圈有直流和交流之分 而接触器的线圈只有交流 3 接触器的触头通常有三个主触头另外还有若干个辅助触头 而继电器的触头一般不分主辅 4 继电器的触头有时是成对设置的 即常开触头和常闭触头组合在一起 而继电器一般主触头都是常开触头 不会成对设置 5 继电器针对特定的要求 会与其它装置组合设计成时间继电器 压力继电器等等 有附加功能 而接触器一
9、般不会具有附加的功能 继电器与接触器的区别 继电器的光耦驱动控制方法 原理一样 用途不同 接触器用在主回路 连接设备的电源供电用继电器用在二次回路 主要做控制和扩展触点用 5 电磁阀在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体 广泛应用于液压机械 空调系统 热水器 自动机床等系统中 它由线圈 固定铁芯 可动铁芯和阀体等组成 当线圈不通电时 可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离 阀门处于关闭状态 当线圈通电时 可动铁芯克服弹簧力的作用而与固定铁芯吸合 阀门处于打开状态 这样 就控制了液体和气体的流动 再通过流动的液体或气体推动油缸或汽缸来实现物体的机械运动 6 调节阀用电动机带动执行机构连续动作以
10、控制开度大小的阀门 调节阀由于电动机行程可完成直线行程也可完成旋转的角度行程 故可以带动直线移动的调节阀如直通单座阀 直通双座阀 三通阀 隔膜阀 角形阀等 也可以带动叶片旋转阀芯的蝶形阀 根据流体力学的观点 调节阀是一个局部阻力可变的节流元件 通过改变阀心的行程可改变调节阀的阻力系数 从而达到控制流量的目的 电磁阀与电控阀 7 伺服电机它可以将输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出 在信号来到之前 转子静止不动 信号来到之后 转子立即转动 信号消失之后 转子又能即时自行停转 由于这种 伺服 性能 因而将这种控制性能较好 功率不大的电动机称做伺服电动机 8 步进电机一种将电脉冲信号转换为直
11、线位移或角位移的执行器 按其运动方式可分为旋转式和直线式步进电机 前者每输入一个电脉冲转换成一定的角位移 后者每输入一个电脉冲转换成一定的直线位移 可见 步进电机的工作速度与电脉冲频率成正比 基本上不受电压 负载及环境条件变化的影响 与一般电机相比能够提供较高精度的位移和速度控制 此外 步进电机还有快速启停的显著特点 并能直接接收来自计算机的数字信号 使用十分方便 所以在定位场合中得到了广泛的应用 如在数控线切割机床上用于带动丝杠 控制工作台运动 在绘图仪 打印机 光学仪器中用于定位绘图笔 打印头 光学镜头等 步进电机控制器 步进电机驱动器 步进电机 实例四 PID控制 开环控制 无反馈的控制
12、系统 即顺序控制系统闭环控制 有反馈的控制系统 PID控制 调节信号与偏差及偏差对时间的积分和导数成正比的负反馈调节方式 分别称为比例调节 积分调节和微分调节问题 图中的r t e t u t y t 分别是什么 其中哪一个量的单位与另外三个可以不一样 特点 输出量与输入量的频率无关 任何突变形式的输入都能在输出中连续地按比例重现 实例 机械杠杆 齿轮 电位器 测速发电机 理想变压器 电子放大器等 说明 实际的比例环节都有惯性 但与系统中其他环节比较 惯性要小得多 因而认为它无惯性 1 比例控制 即输出量与输入量成比例 u t Kp e t PID PID 输出信号的变化速度与偏差信号成正比
13、则可以消除余差I控制 控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比Ki 积分控制器的比例系数 积分速度1 min Ti 1 Ki 积分时间特点 达到稳定时 偏差为0 过程缓慢 易造成 超调 现象 甚至引起振荡 主要用来克服被控变量的容积滞后 根据偏差变化速度提前采取性能 超前 作用D控制 控制器的输出变化与偏差变化速度成正比可减小被控变量的动态偏差 抑制振荡 提高系统稳定性动态特性 特点 常用于延迟较大的温度控制中 微分控制 为了便于计算机的实现 通常需要把PID的表达式 改成离散形式 以一系列的采样时刻点kT代表连续时间 以部分和近似代替积分 用差分方程代替微分 则可得PID算法离散形式的表达式
14、 1 位置式PID 电路中PID调节的实现 2 增量式PID 根据位置式PID控制算法的递推表达式可以得到k 1次的PID输出表达式 增量式PID控制算法为 电路中PID调节的实现 位置式PID算法 要用到过去偏差的累加值 容易产生较大的累计误差 增量式PID算法 不需要累加 计算误差和计算精度问题对控制量的计算影响较小 比例控制 就是对偏差进行控制 偏差一旦产生 控制器立即就发生作用即调节控制输出 使被控量朝着减小偏差的方向变化 偏差减小的速度取决于比例系数Kp Kp越大偏差减小的越快 但是很容易引起振荡 尤其是在迟滞环节比较大的情况下 Kp减小 发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢 但单纯
15、的比例控制存在静差不能消除的缺点 这里就需要积分控制 积分控制 实质上就是对偏差累积进行控制 直至偏差为零 积分控制作用始终施加指向给定值的作用力 有利于消除静差 其效果不仅与偏差大小有关 而且还与偏差持续的时间有关 微分控制 它能敏感出误差的变化趋势 可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用 有利于提高输出响应的快速性 减小被控量的超调和增加系统的稳定性 但微分作用很容易放大高频噪声 降低系统的信噪比 从而使系统抑制干扰的能力下降 因此 在实际应用中 应慎用微分控制 55 PID控制器 通过对偏差信号e t 进行比例 积分和微分运算 其结果的加权 得到控制器的输出u t 即控制对象的控制值
16、PID控制器的数学描述为 式中u t 为控制输入 e t r t c t 为误差信号 t 为输入量 c t 为输出量 56 为了用计算机实现PID控制规律 当采样时间T很小时 可以通过离散化 将这一方程直接化为差分方程 为此用一阶差分代替一阶微分 用累加代替积分 这时可用矩形或梯形积分来作为连续积分的近似值 用矩形积分时得 这是控制算法的一种非递推公式 按照上式计算u k 不仅需要用到本次与上次采样的输入值e k 和e k 1 而且还需要用到e 0 到e k 的所有值 当k很大时 要占用很大内存 且要花费计算机大量的时间去计算 因此 直接使用上式计算是很不方便的 为此 应把它化成递推公式 式中 T 采样周期 根据上式可写出k 1次采样的输出为 因此 按上式计算k次采样的数字控制器的输出u k 只需用到本次偏差e k 前两次偏差e k 1 和e k 2 以及计算的输出值u k 1 由于结果是控制量的绝对值u k 故这种算法有时称为 位置算法 在许多情况下 控制信号是控制步进电机的 为了增加可靠性 常采用增量式PID控制规律 即只计算控制量的变化量 即 增量式控制的优点 计算机只输出增量
