计算机控制技术第2章 计算机控制系统中的过程通道

2.1 传感器与执行器
3.伺服电机和步进电机的比较
不同之处主要表现在以下几个方面。
(1) 结构和工作原理。 (2) 控制精度。 (3) 矩频特性。 (4) 过载能力。 (5) 成本。
2.2 信号的采样与恢复
2.2.1 信号的采样过程
1．信号类型
在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。 （1）模拟信号 （2）离散模拟信号 （3）数字（离散）信号
计算机控制技术(第2版)
第2章计算机控制系统中 的过程通道
范立南 李雪飞 编著
机械工业出版社
第2章计算机控制系统中的过程通道
▪2.1 传感器与执行器 ▪2.2 信号的采样与恢复 ▪2.3 模拟量输入通道 ▪2.4 模拟量输出通道 ▪2.5 数字量输入输出通道 ▪2.6 数据采集卡
2.1 传感器与执行器
2.1.1 传感器与变送器
1.传感器 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，
通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的种类非常多，检测的物理量也非常广，但输出的信号以电量参数的形
式为多，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。
2.变送器 变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。
dt

1 T
0(t)e jkst dt 1
0
T
2
（2-7）
2.2 信号的采样与恢复
将式（2-7）代入式（2-6）得
T
(t)

1 T

e
k
jkst
再把式（2-8）代入式（2-2）得
x *(t) 1

x(t)e jkst
T k
（2-8） （2-9）
2.1 传感器与执行器
2.1.3 伺服电机和步进电机
1.伺服电机
伺服电机又称执行电机，作为执行元件，可把输入的电压信号转换成电机轴上 的角位移或角速度输出，实现对速度、位置的控制。
伺服电机按照其使用的电源性质不同，分为直流伺服电机和交流伺服电机两大 类。直流伺服电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩及快速响应等优点。交流 伺服电机结构简单、运行可靠、维护方便。
2.2.2 采样定理
采样定理：如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为，则对进行周期采样 且采样角频率时，连续信号可以由采样信号惟一确定，亦即可以从不失真地恢复。
2.2 信号的采样与恢复
对其采样定理进行解释性说明：
信号 x和(t) 的x*傅(t里) 叶变换
X j x *(t) 的傅里叶变换为
F
x *(t)

F

1

x(t)e
jkst


1

F x(t)e jkst
T k
T k
1

X
T k
j jks
所以，
X
*(
j)

1 T

X
k
X * j x * (t)e jt dt
（2-4） （2-5）
2.2 信号的采样与恢复
展开如下的傅里叶级数形式

T (t)
ck e jkst
k
式中，为采样角频率；为傅里叶系数，且有
（2-6）
1
ck T
T
2 T
T
(t )e
jkst
2.2 信号的采样与恢复
输入和输出计算机的信息转换如图2-1所示。
图2-1 输入和输出计算机的信息转换
2.2 信号的采样与恢复
2．采样过程及其数学描述
图2-2 连续信号的采样过程
2.2 信号的采样与恢复
采样器的闭合时间τ通常远远小于采样周期T，也远远 小于被控对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以 认为τ= 0 。这样，采样器等效于一个理想的单位脉冲序列 发生器，能够产生以T为周期的单位脉冲序列，其数学表 达式为
变送器通用的标准信号为直流电流0~10mA或4~20mA，直流电压0~5V或 1~5V。
2.1 传感器与执行器
3.智能传感器 智能传感器是具有信息处理功能的传感器。 与一般传感器相比，智能传感器具有以下四个优点。 (1) 提高了传感器的精度。 (2)提高了传感器的可靠性。 (3) 提高了传感器的性价比。 (4) 促成了传感器多功能化。
2.1 传感器与执行器
2.步进电机
步进电机又称脉冲电机，它可以将输入的脉冲电信号转变为角位移或直线位移。 步进电机的转速或线速度与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率的高低就可以在 很大范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。 步进电机更适用于对位置的开环控制，当采用了速度和位置检测装置后，它也可 用于闭环系统。 步进电机在数控机床、自动送料机、磁盘驱动器、打印机和绘图仪等装置中有 广泛的应用。 步进电机按照励磁方式分为反应式、永磁式和感应式。其中反应式步进电机结 构简单，生产成本低，步距角小，应用比较普遍。


T (t) t KT K
（2-1）
式中，T为采样周期；K为整数。
2.2 信号的采样与恢复
这样，理想采样器的输入信号和采样器的输出信号之
间存在下面的关系

x *(t) x(t)T (t) x(t) t KT
（2-2）
K
等价地，还可以写成
2.1 传感器与执行器
2.1.2 执行器及其分类
执行器在计算机控制系统中的作用是接收控制器输出的控制信号，改变被控参 数的值，使生产过程按预定要求进行。
执行器由执行机构和调节机构组成。 执行器按其使用能源形式可分为气动、电动和液动三大类。 气动执行器的动力源由压缩空气提供，其特点是结构简单、体积小、安全防爆，但 控制精度低，噪声大。电动执行器的动力源由电动机或电磁机构提供，其特点是控 制灵活、精度高，但有电磁干扰。液动执行器的动力源由液压马达提供，其特点是 推力大、防爆性能好，但体积和重量大，现较少采用。

x *(t) xKT t KT
（2-3）
K
采样器的输入信号在t<0 时为零。这时，式（2-1）、式（2-2）和式（2-3）中 的求和下限应该取零。
2.2 信号的采样与恢复
在理想采样器的作用下，采样过程如图2-3所示。
图2-3 连续信号的理想采样过程
2.2 信号的采样与恢复