基本的模塊電路，熟練電路原理

控制系統(tǒng)的第一代產(chǎn)生于1930年到1940年，主要代表是以基地式儀表為代表的機(jī)械控制技術(shù)。第二代產(chǎn)生于1950年，主要是電氣控制技術(shù)為主的繼電器控制技術(shù)和調(diào)節(jié)器為代表的模擬控制技術(shù)。目前所稱(chēng)的控制系統(tǒng)是第三代控制系統(tǒng)，誕生于二十世紀(jì)七十年代，主要技術(shù)代表是用于流程工業(yè)的集散控制系統(tǒng)(DCS)和用于離散工業(yè)的可編程控制器(PLC)。

為了正確理解控制系統(tǒng)的意義，有一些關(guān)于控制的術(shù)語(yǔ)是必須要了解的,在這里介紹一下。

1I/O點(diǎn)

在討論控制系統(tǒng)的時(shí)候，I/O點(diǎn)是最經(jīng)常聽(tīng)到的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。它是指輸入/輸出點(diǎn)，I代表INPUT，指輸入，O代表OUTPUT，指輸出。輸入/輸出都是針對(duì)控制系統(tǒng)而言，輸入指從儀表進(jìn)入控制系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)，輸出指從控制系統(tǒng)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參量，一個(gè)參量叫做一個(gè)點(diǎn)。一個(gè)控制系統(tǒng)的規(guī)模有時(shí)按照它最大能夠控制的I/O點(diǎn)的數(shù)量來(lái)定的。

2模擬量和開(kāi)關(guān)量

在控制系統(tǒng)中，另一個(gè)常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)就是模擬量和開(kāi)關(guān)量。不論輸入還是輸出，一個(gè)參數(shù)要么是模擬量，要么是開(kāi)關(guān)量。模擬量指控制系統(tǒng)量的大小是一個(gè)在一定范圍內(nèi)變化的連續(xù)數(shù)值，比如溫度，從0-100度，壓力從0-10MPA，液位從1-5米，電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度從0-100%，等等，這些量都是模擬量。而開(kāi)關(guān)量指該物理量只有兩種狀態(tài)，如開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)的狀態(tài)，繼電器的閉合和打開(kāi)，電磁閥的通和斷等等。

對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于CPU是二進(jìn)制的，數(shù)據(jù)的每位有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此，開(kāi)關(guān)量只要用CPU內(nèi)部的一位即可表示，比如，用“0”表示開(kāi)，用“1”表示關(guān)。而模擬量則根據(jù)精度，通常需要8位到16為才能表示一個(gè)模擬量。最常見(jiàn)的模擬量是12位的，即精度為2-12，最高精度約為萬(wàn)分之二點(diǎn)五。當(dāng)然，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，模擬量的精度還要受模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和儀表的精度限制，通常不可能達(dá)到這么高。

3控制回路

通常是針對(duì)模擬量的控制來(lái)說(shuō)，一個(gè)控制器根據(jù)一個(gè)輸入量，按照一定的規(guī)則和算法來(lái)決定一個(gè)輸出量，這樣，輸入和輸出就形成一個(gè)控制回路?？刂苹芈酚虚_(kāi)環(huán)和閉環(huán)的區(qū)別。開(kāi)環(huán)控制回路，指輸出是根據(jù)一個(gè)參考量而定，輸入和輸出量沒(méi)有直接的關(guān)系。而閉環(huán)回路則將控制回路的輸出再反饋回來(lái)作為回路的輸入，與該量的設(shè)定值或應(yīng)該的輸出值作比較。閉環(huán)回路控制又叫反饋控制，是控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的控制方式。下面介紹幾種常規(guī)的反饋控制的模式。

二位控制

這是最簡(jiǎn)單的反饋控制，有時(shí)也叫開(kāi)關(guān)控制。這種控制是當(dāng)被測(cè)量達(dá)到最高值或最低值的時(shí)候，就給出一個(gè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)。雖然被測(cè)量可能是模擬量，但控制輸出是開(kāi)關(guān)的，所以叫兩位控制。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有許多溫控器和液位開(kāi)關(guān)控制是采用這種方式的。

比例控制

控制器的輸出值與被控參數(shù)的測(cè)量值和設(shè)定值或某個(gè)參考點(diǎn)的偏差是一個(gè)比例關(guān)系。比例控制比二位控制要平滑一些，消除了二位控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生的被控量上下振蕩的情形。比如，對(duì)一個(gè)反應(yīng)罐的液位，如果設(shè)定的液位值是2700毫米，當(dāng)液位降低時(shí)，進(jìn)料管道上的閥門(mén)就要增加開(kāi)度，而液位偏高時(shí)，則要將開(kāi)度減小。增加和減小的比例與液位和設(shè)定值的偏差大小成比例關(guān)系。

積分控制

在積分控制中，被控變量的值的變化與控制系統(tǒng)輸出控制到實(shí)際生效的時(shí)間有一個(gè)預(yù)先設(shè)定的關(guān)系。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出是漸漸地達(dá)到設(shè)定的值的。這種控制方式的產(chǎn)生是由于實(shí)際的控制元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)從給出輸出信號(hào)到使被控變量達(dá)到設(shè)定值往往需要一段時(shí)間。

最常見(jiàn)的例子是溫度控制，比如，假定我們知道到煤氣閥門(mén)的開(kāi)度到60%的時(shí)候，熱水器的水溫能夠達(dá)到適宜洗澡的45度，但是，當(dāng)你把閥門(mén)一下子擰到60%的位置時(shí)，水依然是涼的，你必須等一下，水溫升到45度左右的時(shí)候，就會(huì)穩(wěn)定。如果控制系統(tǒng)不用積分控制，而只用比例控制，那么當(dāng)閥門(mén)輸出為60%時(shí)，這是輸入的溫度值可能依然只有20度，那么按照比例控制，既然偏差依然存在，則閥門(mén)的開(kāi)度會(huì)繼續(xù)加大，這樣，當(dāng)水溫升到45度時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)度可能會(huì)達(dá)到了90%甚至更高，這時(shí)，雖然控制系統(tǒng)會(huì)通知閥門(mén)保持不動(dòng)，但水溫會(huì)繼續(xù)升高，可能到了50甚至60度，這時(shí)，閥門(mén)的開(kāi)度會(huì)減小，但在減小到60%之前，水溫都會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度減到60%時(shí)，水溫依然可能70度，一直當(dāng)閥門(mén)的開(kāi)度變成20%時(shí)，水溫才會(huì)變成45度，這時(shí)閥門(mén)運(yùn)動(dòng)會(huì)停止，但水溫卻會(huì)繼續(xù)下降，直到變成涼水，如果這時(shí)是冬天，可能你的情形還要糟糕。這就是沒(méi)有積分控制的溫度控制器會(huì)發(fā)生的情況。如果你有小孩，當(dāng)孩子第一次操作熱水器的閥門(mén)的時(shí)候，發(fā)生的情形就很像這種情況。

微分控制

微分控制通常與比例和積分控制同時(shí)使用，由于積分控制有一個(gè)滯后，微分控制可以讓控制對(duì)偏差的反應(yīng)提前，以免控制系統(tǒng)的反應(yīng)過(guò)于遲鈍。微分控制與比例和積分控制同時(shí)使用，可以使被控狀態(tài)更迅速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而又不會(huì)出現(xiàn)上文出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象。

PID 控制

在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際變量的情況，上述三種控制方式有時(shí)只有一種，有時(shí)是兩種，有時(shí)三種同時(shí)采用。比例控制用P表示，積分控制用I表示，微分控制用D表示，根據(jù)采用的方式，分別稱(chēng)為P控制，PI控制，PID控制。其中，PID控制是控制系統(tǒng)最常見(jiàn)的控制模式。

延時(shí)控制

通常應(yīng)用在開(kāi)關(guān)量控制的場(chǎng)合，當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)(比如由開(kāi)變關(guān)時(shí))，控制器的輸出動(dòng)作要延時(shí)一段時(shí)間才會(huì)給出。比如，在生產(chǎn)線常用的接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)工件就位時(shí)，接近開(kāi)關(guān)給出信號(hào)，下一個(gè)滾筒由于和接近開(kāi)關(guān)安裝的位置有一段距離，所以通常要延遲幾秒才開(kāi)始滾動(dòng)。

連鎖控制

也是常用于開(kāi)關(guān)控制的場(chǎng)合，比如有三個(gè)開(kāi)關(guān)，A、B和C，C開(kāi)關(guān)必須在A和B同時(shí)打開(kāi)的時(shí)候，才能夠打開(kāi);或者當(dāng)A打開(kāi)時(shí)，C必須打開(kāi);這種關(guān)系就是連鎖控制。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，尤其是在涉及安全控制的場(chǎng)合，連鎖控制方式是很常見(jiàn)的。比如反應(yīng)釜中的放散閥，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)的信號(hào)發(fā)生變化，則放散閥門(mén)必須立刻打開(kāi)。

電動(dòng)控制

指控制系統(tǒng)的輸出是通過(guò)電氣量或電子信號(hào)來(lái)進(jìn)行的，所控制的對(duì)象是電動(dòng)執(zhí)行元件,比如繼電器、步進(jìn)開(kāi)關(guān)、電磁閥、伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器等等，絕大部分的自動(dòng)控制多多少少都會(huì)有電動(dòng)控制元件。

液壓控制

在機(jī)器與設(shè)備的操作中，許多控制是用液壓控制機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行的。在連續(xù)速度控制的場(chǎng)合，液壓控制通常比較方便和便宜，當(dāng)能量轉(zhuǎn)換效率較高的時(shí)候，液壓控制往往和電動(dòng)控制中的伺服控制同時(shí)使用。這時(shí)，就形成了效率和精度較高的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

氣動(dòng)控制

有三種情形用到氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

1、運(yùn)動(dòng)的線路上有標(biāo)準(zhǔn)的單向氣動(dòng)閥門(mén)組合來(lái)完成控制邏輯功能;

2、在氣體管道中采用一些沒(méi)有移動(dòng)部件的元件，這些元件是依靠流過(guò)的氣體的特性而進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的;

3、運(yùn)動(dòng)的邏輯控制系統(tǒng)，采用模塊化的內(nèi)置隔膜、繞線或套筒式。這三種氣動(dòng)元件都是采用壓縮空氣作為傳輸信號(hào)或執(zhí)行機(jī)制的動(dòng)力。在工廠中，由于壓縮空氣容易獲得，干凈、無(wú)污染，又安全，控制的功能和設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單，因此，現(xiàn)在許多生產(chǎn)線上采用氣動(dòng)工具。

編輯：黃飛

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