电气自动化专业英语第8章

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1、1第八章 用于控制的传感8.18.1 引言（导论）引言（导论）在反馈控制系统中，控制对象（plant）的响应被测量并与一个参考输入进行比较，该误差被用于控制该对象。可以推出：测量系统是任何反馈控制的重要部分，构成了控制对象与控制器之间的重要联系。许多工程应用也需要用到测量，然而，在控制系统的应用中，测量过程必须是自动的。一个典型的测量系统是由一个或多个传感器-变送器单元以及相关的信号调理装置组成（见图 8.1） 。滤波是为了去除不想要的噪声和放大增强所需要的信号，可以看作是信号调整，模数转换（ADC） 、数模转换（DAC）、调制（Modulation） 、解调（demodulation）都是信

2、号调理的方法。注意：信号调节可以看作是信号调整标题下的。尽管数据保存是一个典型的数据采集系统必不可少的功能之一，但是，并不是反馈控制系统得重要功能。正是因为这个原因，在本书中，我们将不对数据存储装置进行深入的探讨。在多路测量环境中，在信号调整之前或之后使用多路转换开关，为了在某一时刻从一组数据通道中选择一个被测信号用于后续处理。以这种方式，一套昂贵的硬件可以分时用于几个信号。尽管在数字控制应用场合，直接数字变送器逐渐盛行，但是传感器-变送器装置主要是模拟器件，用于产生模拟信号。当使用模拟变送器时，模数转换被用来将模拟信号转换成数字信号，以用于数字控制。这一信号调理处理要求以离散时间点对模拟信号

3、进行采样。一旦一个数值被采样，该数值就被编码成数字表示，例如普通的二进制码、 Gray 码、二进制-十进制码（BCD）或美国信息交换标准码（ASCII） 。因模拟信号的瞬变特性而产生的模拟信号变化不应影响到 ADC 过程。为了保证这一点，在每一个采样周期中需要一个采样保持操作。例如，在每个采样周期一开始，模拟信号的值被检测到（采样） ，并假定在整个采样周期内为常数（保持） 。事实上，这就是零阶保持操作。为了保证控制系统的正常运行，多路转换、采样和数字化等操作必须在一个精确计时器件（时钟）的控制下完全同步。其流程如图 8.2 所示。所有在测量流程中起辅助作用的器件可以看作是测量系统的部件。针对一

4、个具体的应用或者是设计一个新的部件，对可获得的部件进行选择，主要依赖于这些部件的性能说明书和设计任务说明书。绝大多数由制造商提供的器件的额定参数是静态参数。然而，在控制应用领域，动态性能指标也很重要。当两个或多个元件相连时，在整个系统中单个元件的性能，与每个元件单独运行时的性能相比，相差很大。在多元件系统中，为了提高系统性能和精度，元件匹配，尤其是元件的阻抗特性，必须认真地处理。8.28.28.28.2 传感器与变送器传感器与变送器被测的输出量（或响应）称为被测量。这样的例子有：车辆的速度和加速度、过程对象的温度和压力、电路中的电流。一个测量装置在测量一个信号时，要经过两个阶段，第一，被测量被

5、感知，接着，被测信号被变送（或转换）成适宜于传送、信号调理、处理、或驱动一个控制器和驱动机构的形式。正因如此，变送阶段的输出通常是一个电气信号。被测量通常是一个模拟信号，因为在反馈控制应用中，它通常代表着一个动态系统的输出。在直接数字变送器（传感器）中，其输出是离散的，这有利于传感器与数字处理器之间的直接接口。一个典型传感器（测量装置）的传感和变送阶段如图 8.3（a）所示。例如，考虑一个压电式加速度计的运行过程（见图 8.3（b） ） 。在这个例子中，加速度是被测量。它先通过质量单元转换成惯性力，并施加到压电晶体上，在其（压电晶体）内部产生应变（应力） 。这一阶段可以看作是传感阶段。应力在压

6、电晶体的内部产生电荷，在加速度计的输出端呈现为一个电信号。这一应力到电荷或应力到电压的转换阶段，可以看作是传感器的变送阶段。一个复杂的传感器（测量装置）可以有一个以上的传感阶段。更常见的是，在被测信号适宜于控制和执行应用之前，被测信号经历了几个变送阶段。传感器和变送器阶段均为功能级，而且在有的时候，不易甚至不能区分与其相连的物理原理。另外，在使用现有装置（传感器）时，这种阶段划分并不重要。然而，在设计新的测量仪器是，恰当地划分传感器和变送器阶段（物理地和功能地）是至关重要的。在一些书籍中，信号调理装置也划为变送器，例如，电子放大器。由于我们将信号调理从测量装置（传感器）中分离出来，在本书中，尽

7、可能地避免那种统一的分类方法。取而代之，术语变送器主要应用于测量仪器。然而，遵循这个惯例，传感器和变送器可以互换使用，用于表示测量仪器。8.38.38.38.3 用于运动测量的模拟传感器用于运动测量的模拟传感器8.3.1 引言/导论/简介对反馈控制来说，被控对象输出的测量是基本的。输出测量在过程的性能评价中也很有用。而且，在学习系统（例如，机械手的示教-重现操作）中，进行测量并将测量结果存储在计算机中，用于随后的系统运行。在前馈控制中，需要对输入量进行测量。因此，很明显，测量子系统是一个控制系统的重要组成部分。控制系统的测量子系统包含传感器和变送器，它们检测被测量并将被测量转换成可接受的信号通

8、常是电2压信号。接着，这些电压信号被适当的调理，所用的信号调理硬件有滤波器、放大器、解调器和模-数转换器。传感器和变送器与信号调理硬件之间的连接，阻抗匹配是必须的。传感器、变送器和辅助信号调理装置的精度在控制系统应用是重要的，主要有两个原因。反馈控制系统的测量系统位于控制系统的反馈回路，尽管在开环系统中，测量可用于补偿不良特性，但测量本身的误差会直接进入系统，如果误差未知，则无法校正。而且，可以看出，控制系统对参数变化的敏感性在测量系统中是直接的，与开路部件敏感性情形不同，这种敏感性不能通过增大回路增益方法进行减小。因而，对反馈控制系统来说，其设计策略是使测量非常精确，并采用合适的控制器降低其

9、它类型的误差。在反馈控制应用中，大多数传感器-变送器装置是产生模拟信号的模拟部件。即使是在实时直接数字控制系统中，也是如此。然而，当模拟变送器应用在数字控制场合时，为了获得被测信号的数字表示，必须采用某种类型的模数转换。所获得的数字信号应用数字方法进行后续调理和处理。在传感阶段，被测信号可以看作是“传感单元的响应” 。该信号被变送器转换成被传输的信号量。在这一方面，测量装置的输出可以看作是“变送器的响应” 。在控制系统应用中，该输出信号通常（更可取地）是一个电气信号。注意，把电气信号到电气信号的传感器-变送器看作是测量装置有些多余，尤其是在控制系统研究中，因为只有在电气信号被送入控制器或驱动系

10、统之前，才需要进行调理。在这种意义上，电气信号到电气信号的变送可以被看作是一个“信号调理”任务而不是“测量”功能。8.3.2 运动传感器就运动而言，我们指的是四个运动学变量：1)位移（包括位置、距离、接近度和尺寸或厚度） ；2)速度；3)加速度；4)冲击；注意：每一个变量都是前一个变量的对时间的导数。在控制机械响应和动态系统中的相互作用中，运动测量很有用。可以列举众多的运动测量用于控制应用场合的例子。在机械加工操作控制中，工件的旋转速度和道具的进给速度均被测量；机器人操作臂或运动链的关节（旋转关节和平动关节）的位移和速度（两者都包括角位移和速度和平移位移和速度）被用于控制机械手的轨迹；在高速地

11、面交通工具中，加速度和冲击测量用于主动悬架控制，以提高乘坐质量；在控制旋转机床应用中，角速度是一个至关重要的被测量，例如，涡轮机、泵、压缩机、电动机和电厂里的发电机；接近度传感器（测量位移和距离）和加速度计（测量加速度）是机器保护系统中的常用的两种测量装置，用于大型复杂机器系统的状态监控、故障检测、诊断和在线（通常是实时的）控制；加速度计通常是应用于动态测试装置控制中的唯一的测量装置；位移测量用于过程控制中的阀门控制；在轧钢厂中，钢板厚度由自动厚度控制系统（AGC）连续监控。在测量装置和被测变量之间，不一定存在一一对应的关系。例如，虽然应变片是测量应变（因而可测应力和力）的装置，但是，通过合适

12、的前端辅助传感单元，例如，悬臂梁（或弹簧） ，它们可用于测量位移。而且，通过合适的数据解释方法，同样的测量装置可以用于测量不同的变量。例如，带有内嵌的微电子积分电路的压电式加速度计可以作为压电式速度传感器上市销售。提供角位移的角分解器信号微分后得到角速度。脉冲发生型(数字)传感器，例如光编码器和数字转速表，可以用作位移传感器和速度传感器，取决于是所产生脉冲的绝对数目还是脉冲速度被测量。注意：脉冲速度的测量，要么是通过测量单位时间间隔内的脉冲数目，要么是在脉冲宽度内选通一个高频的时钟信号。而且，原则上，任何力传感器都可以用作加速度传感器、速度传感器和位移传感器， 取决于所采用的前端辅助传感单元是

13、惯性元件 （将加速度转换成力） 、 阻尼元件 （将速度转换成力）、还是弹性元件（将位移转换成力） 。我们或许会质疑是否需要单独的传感器去测量这四个运动变量位移、速度、加速度和冲击因为任何一个变量是通过简单积分或微分与其它变量相关联的。只测量四个变量中的其中一个，并应用模拟处理（通过模拟电路硬件）或数字处理（通过专用的处理器）去获得任何一个剩余的运动变量，这种方法在理论上是可能的。然而，这种方法的可行性是高度受限的，并且取决于几个重要的因素，包括以下几个：1)被测信号的本质（例如，稳定性、高度瞬变性、周期性、窄带、宽带） ；2)被处理信号的所需要的频率范围（或感兴趣的频率范围） ；3)测量的信噪

14、比；4)现有的处理能力（例如，模数转换处理、数字处理器的极限、以及接口、例如处理速度、采样速率、以及缓冲区大小） ；35)控制器要求和被控对象的本质（例如，时间常数、时延、硬件极限等） ；6)最终目标所要求的精度（确定处理精度和硬件成本的依据） ；例如，一个信号的微分（在时域内）通常是不能接受的，因为充满噪声和高频窄带信号。无论如何，在信号微分之前，需要昂贵的信号条理硬件对信号进行预处理。作为经验法则，在低频应用场合（在 1 赫兹的量级上）唯一测量通常获得高的精度；在中频应用场合（小于 1 千赫） ，通常优先测量速度；在测量带有较高噪声的高频运动中，优先进行加速度测量；冲击通常应用于地面运输（

15、乘坐质量） 、生产制造（锻造、轧制、和类似于冲击类型的操作）以及振动隔离应用（灵敏和敏感的仪器） 。我们对运动传感器的讨论主要限于以下几种类型：1)电位计（电阻耦合器件） ；2)变感传感器（电磁耦合器件） ；3)涡流传感器；4)变容传感器；5)压电式传感器。8.48.48.48.4 数字式传感器数字式传感器8.4.1 引言/导论/简介任何传感器，当其产生的信息为离散采样值，并且以数字形式读取而不会产生量化误差时，都可以认为是数字传感器。在数字控制系统中，一个数字处理器扮演控制器角色。这使得被测信号和其他已知量的复杂处理变得容易，以获得驱动控制系统被控对象的执行器控制信号。如果被测信号是模拟形式

16、，那么一个模数转换阶段必须在数字处理之前进行。与数字处理相比，模拟信号存在其他几个缺点。这些需要考虑的事项帮助建立一个案例，有利于直接数字测量装置用于数字控制系统。数字测量装置（或数字传感器，因为这种称谓为人熟知）产生离散输出信号，例如脉冲序列或可以由控制处理器直接读入的编码数据。不过，数字传感器的传感阶段与模拟传感器的传感阶段相类似。有一些数字传感器，集成了微处理器以执行数值运算和局部信号调理，并提供数字和模拟形式的输出信号。当所需的测量变量不直接可测，但能够利用一个或多个被测量计算得出时，这些测量系统尤其有用（例如，功率=力*速度） 。尽管在这种情况下，微处理器是数字传感器的完整部分之一，但是，它执行的不是测量任务，而是信号调理任务。对于我们的目的来说，我们将两个任务分开考虑。本节的目的是学习几种直接数字传感器的运行机理和使用方法。我们的讨论将仅限于运动传感器。然而，注意通过使用一个合适的前端辅助传感单元，其他的被测量例如：力、力矩和压力可以被转换成一个运动并随后被一个运动传感器所测量。例如，航空航天应用中的海拔高度（或压力）测量是由压力传感前端所测量的，例如，一个风箱或