自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本元件與設(shè)備

18九月2023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(dòng)化導(dǎo)論》南京大學(xué)工程管理學(xué)院周獻(xiàn)中zhouxz@《IntroductiontoAutomation》18九月2023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(dòng)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(hào)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18九月2023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(dòng)控制系統(tǒng)的信息獲取是通過測量實(shí)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。18九月2023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(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)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。18九月2023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(hào)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(jī)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。18九月2023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(gè)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？18九月2023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(hào)部分。傳感器的組成18九月2023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(hào)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18九月2023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18九月2023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18九月2023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(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)中信息傳輸自動(dòng)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(diǎn)和性能。自動(dòng)控制系統(tǒng)按照其信息傳輸?shù)耐緩胶吞攸c(diǎn)可以分為“點(diǎn)對點(diǎn)控制系統(tǒng)”和“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”兩大類。18九月2023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(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)控制理論研究的系統(tǒng)大多是“點(diǎn)對點(diǎn)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(gè)元件向下一個(gè)元件的傳輸是立即發(fā)出并立即到達(dá)的，可以認(rèn)為沒有傳輸?shù)臅r(shí)間延遲（時(shí)延）。18九月2023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(hào)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(hào)的傳輸相對比較復(fù)雜，如存在傳輸時(shí)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(shí)際控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的信號(hào)傳輸要經(jīng)過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而使系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜。18九月2023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(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息傳播網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）高實(shí)時(shí)性要求（2）高可靠、高安全性要求（3）良好的確定性要求18九月2023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(hào)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(yùn)行的各種信息傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室，在將生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室的同時(shí)，又將各種控制、維護(hù)、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(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控的要求。18九月2023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(shí)際值和參考輸入（參據(jù)量）進(jìn)行比較，以得到偏差，并根據(jù)偏差產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，使偏差減小期望的范圍。自動(dòng)控制以這種方式產(chǎn)生控制信號(hào)，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(jìn)行決策的裝置。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器是其核心，一個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作主要任務(wù)是設(shè)計(jì)合適的控制器以達(dá)到控制目的。18九月2023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(gè)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)。18九月2023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(dòng)裝置，控制器的指令一般要通過執(zhí)行器得以實(shí)現(xiàn)，而執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，是信息流對能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換裝置，執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)對信息的應(yīng)用，將控制信號(hào)變換為導(dǎo)致被控量按要求變化所需要的能量或物質(zhì)。18九月2023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18九月2023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18九月2023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(jī)常用工業(yè)執(zhí)行器18九月2023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(jī)常用工業(yè)執(zhí)行器18九月2023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(jìn)電機(jī)常用工業(yè)執(zhí)行器18九月2023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(gè)具有反饋結(jié)構(gòu)的自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的信息獲取主要是通過各種傳感器的感測實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要?？刂破魇钦麄€(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的“大腦”，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。控制器的組成會(huì)根據(jù)控制要求和設(shè)計(jì)要求各不相同