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1、4.2控制系统概述,有些目标在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要考虑如何更好地完成。 所谓的控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。 这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。 控制系统一般由测量、控制、执行、反馈等环节构成。,第4章 控制技术概述,4.2.1 自动控制系统,自动控制系统指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求指标的设备。,在工业中起重要作用的第一个自动控制装置是1788年英国发明家瓦特（J.Watt）发明的“离心式飞球调节器” ，如图4.8所示。 瓦
2、特给蒸汽机添加了一个节流阀，它由一个“离心式飞球调节器”操纵，利用飞球来调节蒸汽流，以保证蒸汽机引擎的恒速运行。 当蒸汽机转速增加时，飞球上升，使气阀的开启度减小，反之，开启度增大。这样可以保证引擎工作时速度大致均匀，这是当时反馈调节器最成功的应用。,图4.8 离心式飞球调节器,1、自动控制系统的组成,图4.9 控制系统结构组成框图,自动控制系统的组成由控制器、执行器、被控对象及测量变送器四部分组成。各部分的功能如下： （1）控制器是控制系统的核心环节，它根据被控变量与设定值的偏差信号或者系统其他输入信号进行一定的控制运算，产生相应的控制输出信号。,（2）执行器根据控制器提供的控制信号，对被控
3、对象的某个能够影响被控变量的控制变量（操纵变量）进行直接的操作。 （3）被控对象是控制系统所控制和操纵的对象，它的输出量是控制系统的被控变量。 （4）测量变送器或传感器用来测量被控对象的实际参数（如被控变量、干扰量等），经过信号处理，转换成为控制器能接收的信号或输出显示。 执行器、被控对象及测量变送量统称为广义对象。,2、自动控制系统运行的基本要求,自动控制系统的基本要求是系统必须稳定运行，并应保证满足一定的精度要求和规定的性能指标。 实现自动控制需要闭环系统。闭环控制系统稳定运行最基本的必要条件是负反馈。 测量变送环节一般具有正作用特性，被控对象和执行器的特性由实际的工艺条件决定，可以通过控
4、制器的正、反作用来满足系统负反馈的要求。,3、自动控制系统的分类,自动控制系统按系统的反馈形式可以分为开环和闭环系统。 若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则该系统称为开环控制系统。 若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则该系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。 由于开环系统无反馈环节，一般结构简单，系统稳定性好，成本也低，为开环系统的优点。 输出量和输入量关系固定，内部参数或外部负载等扰动因素不大，或扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿，则应尽量采用开环控制系统。 开环控制的缺点是当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能
5、自动进行补偿。,特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许限度时，开环控制系统便无法满足技术要求，应考虑采用闭环控制系统。 闭环控制的一个突出的优点是反馈控制可以自动进行补偿。 闭环控制要增加检测、反馈比较，调节器等部件，会使系统复杂、成本提高。 闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。 这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。 自动控制系统按系统的给定值，可以将自动控制系统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。 定值控制系统中的“定值”是恒定给定值的简称。,随动控制系统的给定值随机变化，该系统的目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值
6、的变化。 其特点是设定值是一个未知的变化量闭环控制系统，作用是以一定的精度跟随设定值的变化而变化。 程序控制系统的给定值是变化的，它是一个已知的时间函数，即生产技术指标需按一定时间程序变化。 系统在间歇生产过程中应用比较普遍。 特点是设定值变化的且按一定时间程序变化的时间函数，作用是以一定的精度跟随设定值的变化。,工艺生产中，若要求控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采用定值控制系统。 其特点是设定值是固定不变的闭环控制系统，可用于克服扰动的影响，使被控变量保持在工艺要求的数值上。,4.2.2 仪器仪表在控制系统中的应用,工业自动化
7、仪表和控制系统：用于工业生产现场监测及自动控制的测量仪表和控制装置。 科学仪器：主要包括分析仪器（主要包括质谱仪、核磁共振波谱仪、色谱仪、色谱质谱联用仪、等离子光谱仪、污水监测仪、气体和烟雾监测仪、高性能荧光光谱仪等），光学仪器（主要包括各种显微镜、大地测绘仪器、光学计量仪器、物理光学仪器及光学测试仪器等），试验机（主要包括各种金属材料试验机、非金属材料试验机、无损探伤仪及动平衡机等），实验室仪器（主要包括精密天平、干燥箱、真空仪器、应变仪、环境试验仪器、热量计及声学仪器等）。,1、仪器仪表的分类,医疗仪器：主要包括X射线诊断仪器、B型超声诊断仪、核磁共振成像仪器、病员监护仪、心电图记录仪、呼
8、吸机、麻醉机、内窥镜、手术无影灯等。 电子与电工测量仪器：主要包括各种类型的电工测量仪器仪表和电子测量仪器。 其它各类仪器仪表：包括各种专用设备测量仪器仪表，如汽车专用仪表、水质测量专用仪表、空气污染测量专用仪器、农林牧渔专用仪器仪表、地质勘探和地震预报专用仪器、核幅射测量仪器、商品质检仪器仪表、出入境检测仪等。,2、新型仪器仪表在控制系统中应用的特点,(1) 智能化。从工业自动化仪表的发展趋势看，智能化是其核心部分，所谓智能化表现在其具有多种新功能。在工控方面，过去控制的算法只能由调节器或DCS来完成，如今一台智能化的变送器或者执行器，只要植入PID模块，就可以与有关的现场仪表在一起，在现场
9、实现自主调节，从而实现控制的彻底分散，从而减轻了DCS 主机的负担，使调节更加及时，并提高了整个系统的可靠性。 (2) 高精度化。由于工业生产对成品质量的要求日益提高，国家的政策和法令对节能减排也有具体的要求和规定，因此提高测量仪表与控制系统的精度就被提上了议事日程。例如变送器的精度，普遍从0.75%提高到0.04%。,(3) 总线化。过程控制系统自动化的现场设备称为现场仪表。 应用现场总线技术使组建集中和分布测试系统变得更为容易。 集中测控越来越不能满足复杂、远程及较大范围测控任务的需求，必须组建可供各现场仪表数据共享的网络，现场总线控制系统(FCS)正是在这种情况下出现的。 它是用于各种现
10、场智能化仪表与中央控制之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。 目前现场总线已成为全球自动化技术发展的重要表现形式，它为过程测控仪表的发展提供了千载难逢的发展机遇。 (4) 网络化。现场总线技术采用计算机数字化通信技术，使自动控制系统与现场设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，可使智能仪表的作用得以充分发挥。 随着网络技术的发展，以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表，即IP智能现场仪表代表新一代控制网络发展的必然趋势。,(5) 开放性。现在的测控仪器越来越多采用以Windows/CE、Linux、VxWorks等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入
11、式系统技术，未来的仪器仪表和计算机的联系也将会日趋紧密，Agilent公司表示仪器仪表设备上应当具备计算机的所有接口，如USB 接口、打印机接口、局域网网络接口等，测量的数据也应通过USB 接口存储在可移动存储设备中，使用这样的仪器仪表设备和操作一台简易电脑简直是如出一辙。 齐备的接口可连接多种现场测控仪表或执行器设备，在过程控制系统主机的支持下，通过网络形成具有特定功能的测控系统，实现了多种智能化现场测控设备的开放式互连系统。,(6) 虚拟化。虚拟仪器是充分利用计算机技术，由用户自己设计、定义的仪器。它将计算机作为仪器平台，显示屏作为仪器的面板和显示窗，仪器功能主要靠软件实现。 软件技术是虚
12、拟仪器的核心技术，如通过编程构成波形发生器、示波器或数字万用表，而波形发生器的发生波形、频率、占空比等，示波器的测量通道、极性、触发信号等都可以用鼠标和键盘进行设置。 图4.10为DSO28LabII虚拟仪器测控综合平台。,图4.10 DSO28LabII虚拟仪器测控综合平台,4.2.3 传感器在控制系统中的应用,工程上，通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。 传感器的作用类似于人的感觉器官，人类感官的延伸。 主要用于检测自动化系统自身、操作对象及作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。 现代科技的发展不断地向传感器技术提出
13、新的要求推动传感器技术的发展。 同时，传感器技术迅速吸取和综合各个科技领域(如物理学、化学、生物学等)的新成就，开发出新的方法和装置。 传感技术已成为重要的现代科技领域。传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。,1、传感器的研究现状及发展,2、常见传感器的分类,(1)光电传感器。主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不局限于对光的探测，还可对其他非电量进行检测，凡能够将非电量转换为光信号的变化都可。 (2)热电阻传感器。热电阻是基于金属导体的电阻
14、值随温度而变化的特性来进行温度测量的。热电阻目前应用最多的是铂和铜，还有镍、锰和铑等材料制造的热电阻。 (3) 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。,(4)电容式物位传感器。电容式物位传感器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。 电容式液位传感器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制420mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为 15V、05V、010mA等标准信号。 电
15、容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。 当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。,3、传感器在自动化系统中的应用,(1)传感器技术在机器人控制中的应用 工业机器人是工业物流自动化中的重要装置, 是世界新技术革命的一个重要标志。 随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展, 各种先进的可配视觉、触觉的机器人, 为物流行业开拓了新的应用领域。 机器人能智能探测发现工作对象及对工作对象进行处理加工，是因为机器人相应部位装备了传感器，使它具备类似于人类的视觉功能、运动协调和触觉反馈等。 能对工作对象进行检测是因为装备有触觉传感器、视
16、觉传感器、力觉传感器、光敏、超声波传感器和声学传感器，改善了知觉和反应能力，使其能够更灵活、妥善地完成各种复杂工作。 工业机器人传感器常有位移, 速度、加速度传感器等。,(2)传感检测技术在机械加工过程中的应用 机械加工过程中被测的目标很多，传感检测方法很多。 传感器技术是生产现场的关键技术之一。 为按照切削加工指令控制机床，需用传感器检测出机床的位置、速度以及变形、振动等因素对刀具与工件相对位移的影响，还需要监测加工过程的状态，根据检测结果来变更包括换刀具等在内的加工条件，保持加工精度，实现切削加工的高精度化。 为了实现无人化、省力化加工，也需要利用传感器对加工检测结果进行输出反馈。 重视最终加工精度。在机械加工中, 最终加工精度是最重要的。工件的尺寸是连接两点间的直线距离，其基点是一个点。 检测工件上一个点的位置，通常使用接触式传感器和微小光点非接触光学式位移传感器。,近年来，要求使用扫描式测头的呼声不断增加。这种测头是沿着工件的轮廓连续地进行仿形测量能够在短时间内获取大量测量数据，可获得更接近实际情况、可靠性高的测量结果，这是它的最大优势。 在刀具管理方面，可采用电磁
