第二节 自动控制系统
主要内容
自动控制系统原理 自动控制系统设备 常用控制系统 检测仪表
自动控制系统的安装 自动化控制系统工程计量 考纲要求
掌握仪表设备的种类、规格、性能、适用范围，自动化控制系统的分类、控制方式和安装、调试及工程计量；
一、自动控制系统原理 （一）自动控制系统的组成
（1）被控对象。是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。 （2）控制器。接收变换和放大后的偏差信号，转换为被控对象进行操作的控制信号。
（3）放大变换环节。将偏差信号变换为适合控制器执行的信号。它根据控制的形式、幅值及功率来放大变换。
（4）校正装置。为改善系统动态和静态特性而附加的装置。如果校正装置串联在系统的前向通道中，称为串联校正装置；如果校正装置接成反馈形式，称为并联校正装置，又称局部反馈校正。
（5）反馈环节。用来测量被控量的实际值，并经过信号处理，转换为与被控量有一定函数关系，且与输入信号同一物理量的信号。反馈环节一般也称为测量变送环节。
（6）给定环节。产生输入控制信号的装置。 （二）自动控制系统的常用术语
（1）输入信号。泛指对系统的输出量有直接影响的外界输入信号，既包括控制信号又包括扰动信号，其中控制信号又称控制量、参考输入或给定值。
（2）输出信号（输出量）。是指反馈控制系统中被控制的物理量，它与输入信号之间有一定的函数关系。
（3）反馈信号。将系统（环节）的输出信号经过变换、处理送到系统（环节）的输入端的信号称为反馈信号。若此信号是从系统输出端取出送入系统输入端，这种反馈信号称主反馈信号，而其他
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称为局部反馈信号。
（4）偏差信号。控制输入信号与主反馈信号之差。
（5）误差信号。是指系统输出量的实际值与希望值之差。系统希望值是理想化系统的输出，实际上并不存在，它只能用与控制输入信号具有一定比例关系的信号来表示。在单位反馈情况下，希望值就是系统的输入信号，误差信号等于偏差信号。
（6）扰动信号。除控制信号之外，对系统的输出有影响的信号。 （三）自动控制系统的类型 二、自动控制系统主要设备 （一）传感器 1. 温度传感器
（1）热电阻特性传感器
利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的传感器，称为热电阻性传感器。
在测量低于150℃温度时，常用金属导体的电阻随温度变化的特性进行测温。用金属电阻作为感温材料，要求金属电阻温度系数大，电阻与温度成线性关系，只要确定电阻的变化就能得知温度的高低。感温材料中首选铜、铂和镍。
铂金属精度高，稳定性好，性能可靠，但铂属于贵金属，价格高。铜金属制成热电阻，缺点是电阻率低，所以做成一样的热电阻，铜电阻要更细更长，机械强度差，体积也大些。另外铜易氧化，只能在低温及没有浸蚀性介质中工作。用镍制成的热电阻，正好能弥补铜电阻缺陷，价格又比铂低。所以在高精度、高稳定性的测量回路中通常用铂热电阻材料的传感器。要求一般、具有较稳定性能的测量回路可用镍电阻传感器。档次低，只有一般要求时，可选用铜电阻传感器。
利用半导体的体电阻随温度变化的属性制成温度传感器，是常采用的又一种方法。
半导体的体电阻对温度的感受灵敏度特别高，在一些精度要求不高的测量和控制电路中得到充分应用。所以其灵敏度要比其它金属电阻高一个数量级，这样将它作为热敏电阻时，其测量和放大线路非常简单。目前半导体热敏电阻的使用温度为-50℃～300℃。
（2）热电势传感器
1）以热电偶为材料的热电势传感器
铂及其合金属于贵金属，其组成的热电偶价格最贵，优点是热电势非常稳定。铜、康铜价格最便宜，居中为镍铬-考铜，且它的灵敏度又最高。由于热电偶的热电势大小不仅与测量温度有关，还决定于自由端（冷端）温度，即电势的大小取决于测量端与自由端的温差。由于自由端距热源较近，因而
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其温度波动较大，给测量带来误差，为克服这缺点，通常需采用补偿导线和热电偶连接，补偿导线的作用就是将热电偶的自由端延长到距热源较远、温度比较稳定的地方。
2）以半导体PN结为材料的热电势传感器
利用温度变化造成半导体PN结结电压变化的传感器，称为热电势传感器。常用的集成温度传感器，就是这种热电势传感器。该传感器使用方便，工作可靠，价格便宜。且具有高精度的放大电路。在-50℃～150℃之间，按1μA/K的恒定比值，输出一个与温度正比的电流，通过对电流的测量，即可测得所要的温度值。集成温度传感器，输出阻抗高，适用于远距离传输。
3）AD509双端温度传感器 2. 压力传感器
（1）利用金属弹性制成的压力传感器 1）电阻式压差传感器 2）电容式压差传感器 3）霍尔压力传感器 （2）压电传感器 1）压电陶瓷传感器 2）有机压电材料传感器 3.流量传感器 （1）节流式
在被测管道上安装一节流器件，如孔板、喷嘴、靶、转子等，使流体流过这些阻挡体时，根据流体对节流元件的推力和节流元件前后的压力差，来测定流量的大小。
1）压差式流量计。压差流量计精度稍差，但结构简单，制造方便，是一种常用的流量测量仪器。 2）靶式流量计。靶式流量计则经常用于高粘度的流体，如重油、沥青等流量的测量，也适用于有浮黑物，沉淀物的流体。
3）转子流量计。 （2）速度式
光纤涡轮传感器具有重现性和稳定性能好，不受环境、电磁、温度等因素的干扰的优点，显示迅速，测量范围大的优点，缺点是只能用来测量透明的气体和液体。
（3）容积式
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通常有椭圆齿轮流量计，经常作为精密测量用，该流量计经常用于高粘度的流体测量。 （4）电磁式
电磁式传感器的优点是在管道中不设任何节流元件，因此可以测量各种粘度的导电液体，特别适合测量含有各种纤维和固体污物的腐体，此外对腐蚀性液体也适用。除了测量管中一对电极与流体接触，没有其它零件接触，工作可靠，精度高，线性好，测量范围大，反应速度又快。
4.液位检测传感器 （1）电阻式液位传感器
这种检测仪表，结构简单，价格便宜，但只能用于无腐蚀液体中，否则液体的腐蚀会使弹簧的弹性系数发生变化，给测量带来误差。该仪表适用于200cm以内密度为0.1～0.5g／cm3液体界面的连续测量。
（2）电容式液位传感器 （二）调节装置 （三）终端设备 三、常用的控制系统 四、检测仪表 1. 温度检测仪表 （1）压力式温度计
压力式温度计适用于工业场合测量各种对铜无腐蚀作用的介质温度，若介质有腐蚀作用应选用防腐型。压力式温度计广泛应用于机械、轻纺、化工、制药、食品行业对生产过程中的温度测量和控制。防腐型压力式温度计采用全不锈钢材料，适用于中性腐蚀的液体和气体介质的温度测量。
（2）双金属温度计
工业双金属温度计按结构形式分为指示型或指示带电接点型。
此外，双金属温度计探杆长度可以根据客户需要来定制，该温度计从设计原理及结构上具有防水、防腐蚀、隔爆、耐震动、直观、易读数、无汞害、坚固耐用等特点，可取代其它形式的测量仪表，广泛应用于石油、化工、机械、船舶、发电、纺织、印染等工业和科研部门。
（3）玻璃液位温度计 （4）热电偶温度计
热电偶温度计用于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。
（5）热电阻温度计
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