计算机控制技术课件第3章

二、电动执行机构
（三）电磁阀
电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体，广泛应 用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。
电磁阀由线圈、固定铁心、可动铁 心和阀体等组成；
电磁阀通常是处于关闭状态的，通 电时才开启，以避免电磁铁长时间 通电而发热烧毁；
电磁阀有交流和直流之分。
计算机控制技术
第三章 计算机控制系统中 的检测设备和执行机构
检测设备 执行机构
第1节 检测设备
传感器 变送器
一、传感器
传感器是一种将各种被测非电信号转换成可用电信号 的测量装置或元件。
传感器的应用领域主要包括如下几个方面： 1）生产过程的测量与控制; 2）报警与环境保护; 3）自动化设备和机器人; 4）交通运输和资源探测; 5）医疗卫生和家用电器。
铂铑-铂（分度号为S）、镍铬-镍硅（分度号为K）、镍铬铜镍（分度号为E）等。
热电偶传感器产品图
一、传感器
常用的数字式传感器有光栅式、码盘式、磁栅式和感
应同步器等。这类传感器具有很高的测量精度，易于实现系 统的快速化、自动化和数字化，易于与微处理机配合，组成 数控系统，在机械工业的生产、自动测量以及机电控制系统 中得到广泛的应用。
一、传感器
电阻式传感器 种类繁多，应用广泛，其基本原理是
将被测非电信号的变化转换成电阻的变化。电阻值可表示为:
R l
S
其中，σ为电导率，l为长度，S为截面积。
电阻应变式荷重传感器产品图
一、传感器
电容式传感器 是以各种类型的电容
器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换 为电容量的变化，再由测量电路转换为电压、 电流或频率的变化，以达到检测的目的。电 容值可表示为:
一、气动执行机构
（二）控制机构
控制机构即控制阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。通过阀杆上部
与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间
的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应的改变，从而达到控
制工艺参数的目的。
控制阀
直
直
角
三
隔
蝶
球
凸
笼
通
通
形
通
思考
常用的传感器有哪些？ 二线制变送器为什么需具有低功耗的特征？ 请查找常用的变送器接口芯片，并比较二
线制与其它线制的区别。 常用的电动执行机构有哪些？
控制机构是 将阀杆的位 移转换为流 过阀的流量 的装置。
气压信号由上部引入，作用在薄膜上，推动阀杆产生位移，改变了 阀芯与阀座之间的流通面积，从而达到了控制流量的目的。
一、气动执行机构
（一）执行机构
输出位移
膜片有效面积
L A p 信号压力 K
弹簧刚度
执行机构
薄膜式 活塞式
• 适用于输出力较小、精度较 高的场合
二、变送器
传感器将温度、压力等非电物理量转化为电参量；调 理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、 调理、转化为线性的电压输出。二线制V／I变换电路根据 信号调理电路的输出控制总体耗电电流，同时从环路上获 得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。
第2节
执行机构
气动执行机构 电动执行机构
输出电路 • 直流输出电路 • 交流输出电路 • 交直流输出电路
光电耦合和变压器耦合 • 光电耦合通常使用光电二极管—光电三极管，光电二极管—双向光控可控硅，光伏电
池，实现控制侧与负载侧隔离控制 • 高频变压器耦合是利用输入的控制信号产生的自激高频信号经耦合到次级，经检波整
流，逻辑电路处理形成驱动信号
C S 0rS
dd
其中，S为极板间相互覆盖面积；d为两极板
间的距离；ε为两极板间的介电常数；ε0为 真空介电常数，
0=
4
1 9 1011
F/cm
1
3.6
pF/cm
εr为介质的相对介电常数。
电容式差压变送器产品图
一、传感器
电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来
实现非电信号测量的一种装置。 电感式传感器一般分为自感式、互感式和电涡流式3
伺服电动机有直流和交流两大类。
直流伺服电动机的输出功率常为1~600 W，往往用于功率较大的控制系统； 交流伺服电动机的功率较小，一般为0.1~100 W，用于功率较小的控制系统。
二、电动执行机构
（六）步进电动机
步进电动机是工业过程控制和仪器仪表中重要的控制元件之一，它是 一种将电脉冲信号转换为直线位移或角位移的执行器。
• 电磁式继电器线圈的驱动电源可以是直流的，也 可以是交流的，电压规格也有很多种。
• 电磁式继电器还有电流放大作用，因此，它是种 很好的开关量输出隔离及驱动器件。
• 电磁式继电器的不足是机械式触点动作时间较慢，在开关瞬间触点容易 产生火花，引起干扰，减短使用寿命。
二、电动执行机构
（二）固态继电器
• 固态继电器简称SSR（Solid State Relay），它利用电子技术实现了控制电路与 负载电路之间的电隔离和信号耦合。
根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件，通过改变阀芯的 行程可改变调节阀的阻力系数，从而达到控制流量的目的。
二、电动执行机构
（五）伺服电动机
伺服电动机也称为执行电动机，是控制系统中应用十分广泛的一类执行元件。
伺服电动机可以将输入的电压信号变换 为轴的角位移和角速度输出。在信号到 来之前，转子静止不动；信号到来之后 ，转子立即转动；信号消失之后，转子 又能即时自行停转。由于这种“伺服” 性能，将这种控制性能较好、功率不大 的电动机称作伺服电动机。
膜
阀
阀
轮
式
单
双
控
控
控
挠
阀
座
座
制
制
制
曲
控
控
阀
阀
阀
阀
制
制
阀
阀
合分
流流
型型
二、电动执行机构
（一）电磁式继电器
• 电磁式继电器是一种用小电流的通断控制大电流 通断的常用开关控制器件，主要由线圈、铁心、 衔铁和触点四部分组成。
• 继电器的触点是与线圈分开的，通过控制继电器 线圈上的电流可以使继电器上的触点断开，从而 使外部高电压或大电流与微机隔离。
二、变送器
四线制 变送器需要两根电源线，加上两根信号线，总共要接4根线。 三线制 变送器的信号输出与电源共用一根线（公用VCC或者GND）。 二线制 变送器的信号传输与供电共用两根导线，即这两根导线既从控制
室向变送器传送电源，变送器又通过这两根导线向控制室传送现场检测到 的信号。
与非两线制变送器相比，二线制变送器节省了导线， 有利于抗干扰及防爆，因此，虽然现场总线技术快速发展 ，但两线制变送器依然在工业现场应用非常广泛。
• 由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有 体积小、重最轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可幕、寿命长 等优点。
在微机控制系统中得 到了广泛的应用，大有取 代电磁式继电器之势。
二、电动执行机构
（二）固态继电器
输入电路 • 直流输入电路 • 交流输入电路 • 交直流输入电路
数字式传感器产品图
一、传感器
根据具体的测量条件、使用条件以及传感器的性能指标 合理地选用传感器是进行某个量测量时首先要解决的问题。
1．传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的
传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
2．灵敏度 通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。 3．精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量
这类器件包括各类半导体光敏电阻； 第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现
象，此电动势称为光生电动势，这类器件包括光电池、光敏二极管和光 敏晶体管等。
光电开关
一、传感器
热电式传感器利用某些材料或元件的性能随温度变化
的特性进行测量，主要包括热电偶传感器和热电阻传感器。 热电偶传感器的测温原理是热电效应。常用的热电偶有
压电式力和加速度传感器产品图
一、传感器
光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器，其理论基
础是光电效应。 光电效应大致可分为如下三类： 第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面，利
用这种效应做成的器件有真空光电管、光电倍增管等； 第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变，
精度的一个重要环节。
4．线性度 线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。 5．稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。 6．频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在
允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟， 我们希望延迟时间越短越好。
交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，起动电流大，并会引起发热； 直流电磁阀工作可靠，但需专门的直流电源，电压分12 V、24 V和48 V三
个等级。
二、电动执行机构
（四）调节阀
调节阀是用电动机带动执行机构连续动作以控制开度大小的阀门，又称为电动阀。
由于电动机行程可完成直线行 程也可完成旋转的角度行程， 所以有可以带动直线移动的调 节阀如直通单座阀、直通双座 阀、三通阀、隔膜阀、角形阀 等，也有可以带动叶片旋转阀 芯的蝶形阀。
步进电动机按其运动方式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机，前者每 输入一个电脉冲转换成一定的角位移，后者每输入一个电脉冲转换成一定的直线 位移。由此可见，步进电动机的工作速度与电脉冲频率成正比，基本上不受电压 、负载及环境条件变化的影响，与一般电动机相比能够提供较高精度的位移和速 度控制。
步进电动机还有快速起停的显著特点，并能直接接收来自计算机的数字信号，而 无需经过D/A转换，使用十分方便，所以在定位场合中得到了广泛的应用。
• 适用于输出力较大的场合， 如大口径、高压降控制或蝶 阀的推动装置
➢ 气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。正作用执行机构的信号压力是 通入波纹膜片上方的薄膜气室；反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下 方的薄膜气室。
➢ 气动活塞执行机构根据特性分为比例式和两位式两种。两位式根据输入活塞两 侧操作压力的大小，活塞从高压侧被推向低压侧。比例式是在两位式基础上加 以阀门定位器，使推杆位移和信号压力成比例关系。
二、电动执行机构
（二）固态继电器
使用固态继电器时应注意：
1）存在通态压降，一般1V左右； 2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现 理想的电隔离； 3）电流负载能力随温度升高而下降，选用时留余量。 4）SSR过载能力差，当感性负载时需加压敏电阻保护，电压选1.6-1.9 倍电源电压。 5）输出负载短路会造成SSR损坏。
二、变送器
变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量（如
温度、压力、流量、液位、成分等）和电、气信号（如电流、电压、 频率和气压信号等）转换成该系统统一的标准信号。
变送器
气动变送器的 信号标准为 0.02～0.1 MPa
电动变送器 气动变送器
电流输出型变送器
电压输出型变送器
工业上最广泛 采用的标准模 拟量电信号是 用4～20mA电流 来传输信号
大类。习惯上将自感式传感器称为电感式传感器，而互感 式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动式，故 常被称为差动变压器式传感器。
电感式传感器产品图
一、传感器
压电式传感器利用某些电介质材料具有压电效应
而制成。 当有些电介质材料在一定方向上受到外力（压力或
拉力）作用而变形时，在其表面上会产生电荷；当外力 去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能 的现象，称为压电效应。

一、气动执行机构
伺服电动机、电动机、阀门、继电器、接触器等输出部件，统称为执行机构 ，也称为执行装置或执行器。
执行机构的作用：接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动 作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。
常用的执行机构为气动和电动两种类型。
执行机构是 将信号压力 的大小转换 为阀杆位移 的装置。