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1、自动控制元件及线路-测量元件,目 录,测量元件的作用测量元件的定义、组成和分类测量元件的特性选择测量元件时的注意事项测量元件的发展小结,1.测量元件的作用,1执行元件：功能是驱动被控对象，控制或改变被控量。2放大元件：提供能量，将微弱控制信号放大驱动执行元件。3校正元件：作用是改善系统的性能，使系统能正常可靠地工作并达到规定的性能指标。4测量元件：功能是将检测被控量，并转换成系统希望的另一种容易处理和使用的量。,1.测量元件的作用,1.测量元件的作用,1.测量元件的作用,1.测量元件的作用,1.测量元件的作用,1.测量元件的作用,伺服控制器(硬件)-人的大脑、小脑的生理组织控制结构与策略(软件
2、)-人的控制意识、策略结构与材料子系统-骨骼系统/皮肤系统功放与执行器子系统-肌肉系统传感子系统-五官等神经感知系统能源子系统-消化、呼吸系统电气/液连接子系统-循环系统,控制系统实例分析,控制系统中为什么需要反馈（测量元件）？,1.测量元件的作用,1.测量元件的作用,控制系统中存在各种不确定性,1.模型结构不确定性（假设、降阶、近似）,2.模型参数不确定性（老化、温度、工况、工艺）,3.各种外部扰动,1.测量元件的作用,所有不确定性的影响，在输出上都有体现，我们可以通过测量元件获取被控量的信息，采取相应的控制方法对不确定性的影响进行有效的抑制。,控制系统要有效抑制各种不确定性，保证一定的控制
3、性能，就必须测量元件实现闭环控制。,执行元件和测量元件哪个更重要？,1.测量元件的作用,没有执行元件就谈不上控制,没有测量元件只是开环控制,1.测量元件的作用,两种元件相互依赖,一些测量元件中用到执行元件,一些执行元件中用到测量元件,在检测与控制系统中，传感器和检测电路用于信息的提取、转换与处理，是整个系统的基础，整个系统的精度、性能往往取决于测量元件的精度和性能。测量元件是控制系统的感觉器官，只有能知道生产过程的具体情况才能进行自动控制。起“眼、耳、鼻、触觉”的作用。,1.测量元件的作用,自动化过程与控制系统，大量使用传感器。传感器与传感器技术是现代工业自动检测与控制系统的主要环节。传感器与
4、传感器技术是现代信息社会信息技术（传感器技术、通信技术和计算机技术）的三大支柱之一，是信息系统的“源头”。,1.测量元件的作用,2 测量元件的定义、组成、分类,测量元件:检测一种物理量，（按照一定的对应关系/精确度）转换成容易处理的另一种物理量。功能：检测和转换。处理：放大、加减、积分、微分、滤波、存储和传送。容易处理的物理量：主要指的是电信号。,物理量,电量,传感器的组成,把物理量转化成电路参量,感受或响应被测量并转化成另一种物理量,将电路参数量转换成特定形式的电量，（信号调节、转换、放大、运算、调制）,2 测量元件的定义、组成、分类,例：气体压力传感器,转换电路将电感转换成电压,转换元件可
5、变电感3，把位移量转换成电感,敏感元件膜盒，把气压转换成位移,2 测量元件的定义、组成、分类,例：气体压力传感器,压力,位移,电感,电压,敏感元件,转换元件,转换电路,2 测量元件的定义、组成、分类,例子：其它传感器,2 测量元件的定义、组成、分类,变送器:输出标准信号的传感器。将一种量变换成标准信号（另一种量）并把它送出去。常用的标准信号：物理量的形式和数值范围 电压：-10+10V，010V；电流：420mA、010mA；气压 20100kPa 标准信号与非标准信号以及标准信号之间也可以用转换器进行相互转换（气/电）。物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，兼容性好、互换性好。,2 测
6、量元件的定义、组成、分类,根据被测量的性质：位移（角位移、线位移）、速度、加速度、温度、力矩、压力等根据工作原理:电磁式（旋转变压器、感应同步器、测速发电机等）、电阻式、电容式、电感式、变压器式、应变式、热电式、光电式传感器等,2 测量元件的定义、组成、分类,根据结构 可分为结构型、物性型和复合型传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如：热电偶、应变片。结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式、电感式传感器。根据输出信号形式,2 测量元件的定义、组成、分类,计数型（二次型+计数型）,电压，电流型（热电偶,Cds电池）,有接点型(微动开关，
7、接触开关，行程开关),传感器,电阻型（电位器，电阻应变片）,非电量型,二值型,电量,无接点型(光电开关，接近开关),模拟型,数字型,代码型（旋转编码器，磁尺）,电感，电容型（可变电容）,2 测量元件的定义、组成、分类,例：气体压力传感器属于哪一类传感器？,压力传感器电磁感应原理结构型模拟型,2 测量元件的定义、组成、分类,理想特性：输入和输出一一对应。静态特性：输入量和输出量都为常量，或变化极慢时，输出和输入之间的关系。数学关系式中无变量对时间的微分。动态特性：输入量和输出量都随时间变化时的关系。数学关系式中有变量对时间的微分。,3 测量元件的特性,1变换函数：描述静特性的数学方程,3 测量元
8、件的静特性变换函数,对大多数测量元件：,变换函数：,3 测量元件的静特性变换函数,变换函数的结构和形式一般是在分析或实验的基础上建立的，其参数多在实际标定实验中，利用统计分析和曲线拟合的方法予以确定。曲线拟合方法很多，有理论拟合、过零拟合、端点拟合、端点平移拟合、最小二乘拟合等。最小二乘拟合在实际中应用较多，多采用线性方程式：y=ax+b的形式。以N个测试点数据，计算得到系数a和b，使实验数据对拟合直线上对应值残差的平方和最小。,2灵敏度和线性度（非线性误差）灵敏度：输出量的微小增量与输入量微小增量的比值，变换函数的一阶导数或静特性曲线的斜率。非线性的，不同的点有不同的灵敏度。线性的静特性，灵
9、敏度不变。,3 测量元件的静特性灵敏度,2灵敏度和线性度（非线性误差）线性度或非线性误差：静特性曲线偏离某种拟合直线或规定直线的程度。,3 测量元件的静特性线性度,在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。,2023/10/26,33,3 测量元件的静特性线性度,3滞环（迟滞）测量元件正反行程中输入输出曲线不重合的现象称为滞环特性或迟滞，它由上升分支和下降分支组成。对应同一输入量，两个分支所对应的输出不同。滞环误差的计算同上。,3 测量元件的静特性滞环,机械部分摩擦和间隙，敏感材料结构缺陷，磁性材料磁滞,4重复性误差 输入按同
10、一方向作全量程连续多次变化时的误差。,3 测量元件的静特性重复性误差,5静态误差定义：全量程范围内，测量元件输出值与理论值的偏离误差。求取方法：测试数据与理论输出值的标准偏差,3 测量元件的静特性静态误差,取2或3作为测量元件的静态误差。,综合性误差、非线性、迟滞、重复性等。,5静态误差,3 测量元件的静特性静态误差,其它几种提法：精度：测量的精确程度。真实值与测量值之差绝对误差：测量值与被测量真值之差：测量值-真实值，有单位、有正负相对误差：|测量值-真实值|/|测量值|100%，用来说明测量结果的准确程度。,3 测量元件的静特性其它性能参数,测量范围和量程测量元件能够满足规定精度时检测到的
11、最小输入量和最大输入量，称为测量范围。测量元件能够满足规定精度时检测到的最大输入量和最小输入量之差，称为量程。如果被测量最小输入量为零，可以不做区分，如力矩、速度等。,3 测量元件的静特性其它性能参数,分辨率和分辨力 传感器的输入/输出关系不可能做到处处连续。输入量太小，输出不会变化。分辨率和分辩力都是表示传感器能检测被测量最小值的性能指标。分辨率是以满量程的百分数来表示，无量纲；分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。在最小输入处的分辨力被称为阈值。,2023/10/26,40,稳定性:传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。,3 测量元件的静特性其它性能参数,漂移:漂移是指在外界的
12、干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等，如图所示。,如果采用差动、对称结构和差动电路（如电桥）相结合的差动技术，可以达到消除零位值、减小非线性、提高灵敏度、实现温度补偿和抵消共模误差干扰等的效果，改善传感器的技术性能。,3 测量元件的静特性,提高传感器性能的技术途径:,测量元件的输入量由一个数值变到另一个数值的过程中，呈现的特性就是动特性。数学式中含有变量对时间的导数。,3 测量元件的动特性,和控制系统类似有三种描述方式？,1 微分方程2 传递函数3 频率特性,传感器动态特性研究方法1 瞬态响应法；2 频率响应法；3 冲击响应法；
13、,一阶测量元件（惯性环节）T 为时间常数，T 越小，响应速度越快。,3 测量元件的动特性,二阶测量元件,3 测量元件的动特性,零阶测量元件：传递函数是常数K。控制系统中，测量元件都可看成是零阶测量元件比例环节。从时域角度看，测量元件的动态特性应具有足够快的响应速度和适当的阻尼比。从频域角度看，测量元件应当具有足够宽的频带宽度。,3 测量元件的动特性,4 选择测量元件时的注意事项,1 静态性能要求量程、精度、分辨率,2 动态性能要求频域：测量的带宽高于系统带宽的3-5倍时域：延时短、响应快，输出更新频率,3 环境要求温度、湿度、化学度、冲击振动等,4 接口要求信号形式，外形结构尺寸,4 选择测量
14、元件时的注意事项,5 熟悉程度尽量使用熟悉的元件,6 其它要求价格、可靠性、维护等,原则：满足指标要求的前提下用最成熟的测量元件。,伴随材料、电子、光学等等学科的发展，新原理、新材料的测量元件不断出现，性能指标不断提升,5 控制元件的发展趋势,测量元件向多信息融合的自主智能发展,5 控制元件的发展趋势,测量元件向高度集成化的方向迅速发展,5 控制元件的发展趋势,测量元件环节学习的要求：掌握常用测量元件的工作原理。熟悉常用测量元件的特点，关键技术指标，能够根据控制系统需要正确选择。熟悉常用测量元件使用方法，能够正确使用。,6 小结与作业,本节课学习要点：测量元件的作用测量元件的定义、组成和分类测量元件的特性（静态和动态）测量元件应用选择的考虑事项,6 小结与作业,6 小结与作业,6 小结与作业,以智能手机、汽车为例，列举与分析其中所应用的测量元件/传感器的功能、特点。,格式要求（图文并茂）3-10页、小四、宋体、单倍行距、首页签名内容功能作用器件概述原理简介子系统分析上交时间：5月22日课间,6 小结与作业,
