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本文由l i s a n h e 贡献 d o c 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 电路或电网络由以某种方式连接的电阻器 电感器和电容器等元件组成 如果网 络不 包含能源 如电池或发电机 那么就被称作无源网络 换句话说 如果存在 一个或多个能源 那么组合的结果为有源网络 在研究电网络的特性时 我们感兴 趣的是确定电路中的电压和 电流 因为网络由无源电路元件组成 所以必须首先定义 这些元件的电特性 就电阻来说 电压 电流的关系由欧姆定律给出 欧姆定律指出 电阻两端的电压等于 电阻上流过的电流乘以电阻值 在数学上表达为 u i R 1 1A 1 式中 u 电压 伏特 i 电流 安培 R 电阻 欧姆 纯电感电压由法拉第定 律定义 法拉第定律指出 电感两端的电压正比于流过电感的 电流随时间的变化率 因此可得到 U Ld i d t 式中 d i d t 电流变化率 安培 秒 L 感应系数 享 利 电容两端建立的电压正比于电容两极板上积累的电荷 q 因为电荷的积累可表 示为电 荷增量 d q 的和或积分 因此得到的等式为 u 式中电容量 C 是与电压和 电荷相关的 比例常数 由定义可知 电流等于电荷随时间的变化率 可表示为 i d q d t 因此电荷增 量 d q 等于电流乘以相应的时间增量 或 d q i d t 那么等式 1 1A 3 可写为式中 C 电容量 法拉 归纳式 1 1A 1 1 1A 2 和 1 1A 4 描述的三种无源电路元件如图 1 1A 1 所示 注意 图中电流的参考方向为惯用 的参考方向 因此流过每一个元件的电流与电压降的方向 一致 有源电气元件涉及 将其它能量转换为电能 例如 电池中的电能来自其储存的化学能 发电机的电能 是旋转电枢机械能转换的结果 有源电气元件存在两种基本形式 电压源和电流源 其理想状态为 电压源两端的电 压恒定 与从电压源中流出的电流无关 因为负载变 化时电压基本恒定 所以上述电池和发 电机被认为是电压源 另一方面 电流源产生 电流 电流的大小与电源连接的负载无关 虽 然电流源在实际中不常见 但其概念 的确在表示借助于等值电路的放大器件 比如晶体管中 具有广泛应用 电压源和电 流源的符号表示如图 1 1A 2 所示 分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析 法 应用于此方法的基本定律是基尔 霍夫第一定律 基尔霍夫第一定律指出 一个闭 合回路中的电压代数和为 0 换句话说 任 一闭合回路中的电压升等于电压降 网 孔分析指的是 假设有一个电流 即所谓的回路电 流 流过电路中的每一个回 路 求每一个回路电压降的代数和 并令其为零 考虑图 1 1A 3a 所示的电路 其 由串联到电压源上的电感和电阻组成 假设回路电流 i 那么回路总的电压降为 因 为在假定的电流方向上 输入电压代表电压升的方向 所以 输电压在 1 1A 5 式中 为负 因为电流方向是电压下降的方向 所以每一个无源元件的压 降为正 利用电阻 和电感压降公式 可得等式 1 1A 6 是电路电流的微分方程式 或许在电路中 人们 感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流 正如图 1 1A 1 指出的 用积分代替式 1 1A 6 中的 i 可得 1 1A 7 A 电力系统介绍 电力系统把其它形式的能源转化为电能并输送给用户 尽管不 同于其它形式的能源 电能不容易储存 一旦生产出来 必须得到使用 但是电力的 生产和传输相对高效 和廉价 电力系统的组成 电力系统的组成当今的电力系统由六 个主要部分组成 电站 升压变压器 电力系统的组成 将发出来的电升压至传输线 所需高电压 传输线 变电站 电压降至配电线电 压等级 配电线路和降压变压 器 将配电电压降至用户设备使用的电压水平 1 电站 电力系统的电站包括原 动机 如由水 蒸汽驱动的涡轮 或者燃烧气体操控 的电动机和发电机系统 世界上 大多数的电能由煤炭 石油 核能或者燃气驱动的 蒸汽发电厂产生 少量电能由水力 柴油和内燃机发电厂产生 2 变压器 现代电 力系统使用变压器把电能转换为不 同的电压 有了变压器 系统的每个阶段都能在 合适的电压等级下运行 在典型的系 统中 电站发电机发出的电压范围是 1000 伏到 26000 伏 变压器把电压升至 1380 00 到 765000 伏后 送至主传输线上 因为对于 长距离传输 电压越高 效率越高 在变电站 电压被降至 69000 到 138000 伏 以 便在配电系统中传输 另外一组 变压器把电压进一步降至配电等级 2400 到 4160 如 伏 或者 15 27 33KV 最 终 在使用端 经配电变压器 电压再次被降至 240V 或 120V 3 传输线 高压传 输系统通常由铜线 铝线或者镀铜 镀铝的钢线组成 它们悬挂在高大钢格构塔架上 p a g e 1 成串的瓷质绝缘体上 由于含镀层钢线和铁塔的使用 增大了塔与塔之间的距离 降低了传输线的成本 在当前的直线安装中 每公里高 压线只需建立 6 个铁塔 在 一些地区 高压线悬挂于距离较近的木质电线杆上 对 于低压配电线路 更多的使用 木质电线杆 而不是铁塔 在城市和一些地区 明线 存在安全危险或者被认为影响美 观 所以使用绝缘地下电缆进行配电 一些电缆内 核中空 供低压油循环 油可以为 防止水对封闭线路的破坏提供临时保护 通常使 用管式电缆 三根电缆放入线管中 并填满高压油 这些电缆用于传输高达 345KV 的电流 4 辅助设备 每个配电系统 包含大量辅助设备来保护发电机 变压器和传 输线 系统通常还包括用来调整电压或 用户端其它电力特性的设备 为了保护电力 系统设施 防止短路和过载 对于正常的 开关操作 采用断路器 断路器是大型开 关 在短路时或者电流突然上升的情况下自 动切断电源 由于电流断开时 断路器 触点两端会形成电流 一些大型断路器 如那 些用来保护发电机和主输电线的断路 器 通常浸入绝缘液体里面 如油 以熄灭电流 在大型空气开关和油断路器中 使用磁场来削弱电流 小型空气开关用于商场 工 厂和现代家庭设备的保护 在住 宅电气布线中 以前普遍采用保险丝 保险丝由熔点 低的合金组成 安装在电路中 当电流超过一定值 它会熔断 切断电路 现在绝大 多数住宅使用空气断路器 B 电力系统自动化概述 提高生产力 降低成本 是电力 供应商一直以来面对的问题 这就转化为需要管理 者 工程师 操作员 计划者 现 场人员和其它人员收集并执行决策信息 电力系 统供应商遵从这一趋势 使设备变得 智能化 这样 它们就可以创造并交流信息 术语 电力系统 描述的是用来产生 传输和分配电能的物理系统的组成设备集合 术语 设备和控制系统 指的是用来 监视 控制和保护电力系统的设备集合 电力 系统自动化指的是使用 I它们的工 作方式象人 而不是要把使用计算机的人类屈从计算机 支配的 死板的工作方式 在 类比的意义上 人类的智能被加到计算机程序上 它们就显示 出更聪明的行为和更广 泛的能力 例如 思维和推理 获取知识并把知识用于解决今天的计 算机不能解决的 更复杂和更困难的问题 专家系统是人工智能最成功的例子 面向一种专业的专 家系统就象该专业领域的人类专 家那样工作 对用户提出的问题提供建议 从人类 专家 抽取来的专业知识被组织在它的知 识库中 准备好让使用者检索 现在 许多 专家系统已可从市场购得 更多的专家系统正在 开发中 知识工程是人工智能的另一课题 知识工程是为了研究怎样用程序模仿人类的的 头脑 特别是 模拟人脑获取知识和应用知识的能力 换句话说 知识工程是要创造 出能够学习 也就是靠它自己能扩大其知识贮存量的计算机 计算机视觉是人工智 能的另一种应用 计算机视觉就是使用计算机去分析和评价视觉信 息 换句话说 计 算机能够看见东西 计算机视觉系统能从 譬如说 照片 图画 影物等 等的视觉信 息中辨认或分辨那些在计算机程序中已确定地分类的物体 这种系统可以比人类 的 眼睛更有效地工作 例如 检查空中摄影图片以辨认特定的物体 例如 导弹 轰炸 p a g e 6 机 战舰 可以帮助战场上的总司令作出决定 教育可能是人工智能的另一种应用 与传统的 CBT 计算机辅助训练 不同 人工智能的 CBT 能根据学生的知识 经验 强点与弱点调整教学 结果 人工智能的 CBT 比常规的 CBT 有效得多 In t e l l i g e n t Ro b o t s Un i t 4 Co m p u t e r s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n 这一节介绍计算机的内部体系结构 描述了指令如何存储和译码 并解释了指 令执行周 期怎样分解成不同的部分 从最基本的水平来讲 计算机简单执行存储在 存储器中的二进制编码指令 这些指令按 照二进制编码数据来产生二进制编码结果 对于通用可编程计算机 四个必要部件是存储器 中央处理单元 CPU 或简称 处理器 外部处理器总线 输入 输出系统 存储器储存指令和数据 CPU 读取 和解释指令 读每条指令所需的数据 执行指令所需的操作 将结果存回存 储器 C PU 所需的操作之一是从外部设备读取或写入数据 这利用输入 输出系统来实现 外 部处理器总线是一套能在其他计算机部件之间传送数据 地址和控制信息的电导线 存储器 计算机的存储器是由一套连续编号的单元所组成 每个存储单元是一个能存 二进制信息 的寄存器 单元的编号称为地址 初始地址为 0 制造商定义处理器的一 个字长为单元的整 数长 在每个字中 各位表示数据或指令 对于英特尔 8086 87 和摩托罗拉 MC68000 微处 理器来说 一个字是 16 位长 但每个存储单元仅为 8 位 因此两个 8 位单元来存取获得一 个数据字长 为了使用存储器中的内容 处理器 必须取来右边的内容 为了完成这一次读取 处理器 把所需单元的二进制编码地址放 到外部处理器地址总线的地址线上 然后 存储器允许处理 器读取所寻址的存储单 元的内容 读取存储单元的内容的这一过程并不改变该单元的内容 存储器中的指令 存储器中的指令由 CPU 取来 除非发生程序转移 它们按在存储器 中出现的顺序来 执行 用二进制形式所写的指令叫做机器语言指令 一种得到 指令 有效 形式的方 法是将 这些 位分成段 如图 3 4A 2 所示 每一段都包含一个不同类型信息的 代 码 在简单的计算机中 每条指令可分为四段 每段有四位 每条指令包括操作代码 或操 作码 每条指令有唯一的操作码 操作数地址 立即数 转换地址 在一 个实际的指令集中 有很多指令 也有大量的存储单元来存储指令和数据 为了增 加 存储单元的数目 如果我们使用同样的方法 地址段的指令一定长于 16 位 除了增 加指 令长度外 还有很多增加微处理器寻址范围的方法 可变指令段 多字指令 多 寻址模式 可变指令长度 我们不将详细讨论它们 为了有效利用存储空间和处理时间 大多 存储数据 数据是存储器中代表代码的信息 数计算机提供了不同长度和表示 方法的处理数据能力 能被处理器识别的各种不同表示称作 数据类型 常用的数据 类型有 位 二进制码 十进制数字 4 位字节 BCD 字节 8 位 字 2 个 字节 双字 4 个字节 有一些处理器提供了可处理其他数据类型 例如单精 度浮点数据类 32 位 和双精度 浮点数据 64 位 等的指令 还有另一类的数据 特征数据 通常也表示为 8 位 在标准 键盘上 每个计算机终端键和键的组合 例如 s h i f t 和 c o n t r o l 功能键 有定为美国信息交换 标准码的 7 位码 我们也 关注不同存储技术的特征 对主存储器 存储器类型 在数字控制系统的应用中 来 说 我们需用它临时存储信息 并逐次地从不同单元写入或获得信息 这种类型的存 储器 称作随机访问存储器 RAM 在某些情况下 我们不想让存储器中的信息丢失 因此我们 愿使用特殊技术写入存储器 如果写入只在物理改变连接时才能实现 那么这种存储器称为 只读存储器 ROM 如果相互连接的模式可由程序设定 那 存储器叫做可编程只读存储器 PROM 如果需要实现改写的情况 我们有可擦的 可编程只读存储器 EPROM 电可 擦除的 PROM 缩写为 EEPROM 中央处理单元 CPU CPU 的工作是从存储器中取回指令并执行 CPU 的结构如图 3 4A 3 它有四个主 要部 件 算术 逻辑单元 一系列存储器 一个内部处理器总线和控制器 CPU 的 这些及其其他部件和它们在指令周期的分享将在后面的章节中说明 算术 逻辑单元 算术 逻辑单元 ALU ALU 提供很广泛的算术操作 包括加 减 乘 除 它也 完成布尔逻辑操作 例如 与 或 二进制算术求补 其他操作 例如字比较也 可达到 计 算机任务的主要部分包括 ALU 但为了利用 ALU 指令 需要大量的数据 移动 寄存器 CPU 内的一系列寄存器是用于存储信息的 p a g e 7 指令寄存器 当一条指令取回来 它被复制到指令寄存器内 并被译码 译码意 味着检 查操作代码并用于确定执行顺序的各步 CPU 的编程器模型 可由编程器检查或修 改的寄存器集称为 CPU 的编程器模型 由 指令集操作或明显受硬件输入或数据操作 的结果影响的一类寄存器是模型中表示的寄存器 标志寄存器 执行顺序不仅由指令 而且也由前面指令的结果来确定 例如 如果在 ALU 中进行加法运算 加法的结果 不论结果是正 负或 0 存储在称为标志寄存器 状态寄存 器或条件寄存器中 如果下一指令是一个条件转移指令 标志字需要检验以确定是否需要转 移 程序计数器 指令指针 下一指令的地址位于称作程序计数器的寄存器中 数 据寄存器 当一指令用寄存器存储数据 指令中的寄存器参考被称作寄存器寻址 利 用内部寄存器存数据的原因在于它们能使指令更短 执行速度更快 地址寄存器 内部寄存器也可用于储存存储器数据的地址 这种情况下 指令 字包含寄 存器数 例如一个寄存器地址 寄存器中包含用于指令中的存储器数据的地 址 这种寻址 方式叫做寄存器直接寻址 寄存器的内容指向存储器中的数据 总线 是一套分组的电导 内部处理器总线 内部处理器总线使数据在内部存储器间移动 线 它能在 CPU 的功能块间传送数据 地址和控制信息 当两个寄存器连到总 线上时 源 寄存器中的数据可传到目的寄存器中 控制器 一个总 控制器 控制器提 供了程序周期内取自寄存器每条指令的控制信号的适宜顺序 程序周期是由许多指令 周期组成 每个指令周期可分为它部件的机器周期 每个机器周期由 许多时钟周期 组成 例如图 3 1A 4 为了取回一条指令 程序计数器中的地址放到在时钟周期 C 1 上升沿的 外部总线的地址线上 同时 利用控制线上的一个代码 CPU 通知所有连 接到总线上的设 备 即 CPU 正执行一个 操作码取回 的机器周期 存储器允许存 储器寻址去选择包含指令 的存储器单元 在 C2 段 控制器将 读 命令放到控制总 线上 允许存储器数据放到数据线 上 然后在 C3 段 控制器将数据选通到指令寄 存器中 并从控制总线再移动读命令 在 C4 段 控制器在地址总线上再移地址并开 始译指令的操作代码部分 来看一看执行需要说 明步骤 译码操作或许会在 操作码 取回 机器周期的末端花费几个更多的时钟周期 外部提示请求 停止正常的指令处 理顺序往往是必要的 一种外部提示请求是复位 请求 在不可恢复故障的情况下 计 算机系统可要求自身复位 这带来的影响是初始化系统 中所有重要寄存器 并从标志 存储单元 通常是 0 单元开始执行指令 在正常事件过程中更通常的启动服务 是中断请求 来自外部设备的一个中断请求信号可 使 CPU 立即执行实施必要动作的 服务子程序 当完成服务子程序后 处理器将从最初被中 断的地方继续执行 第三 种类型的输入是总线请求 或直接存储器寻址请求 有一个终端接口来存储正文的 所有特征 直到接到一个 回车 然后 接口请求使用系统总线 此时 数据以尽 可快的速 度被传递给存储器 这种方式下 处理器仅变为停止 直到传递完成 总 线 总线是计算机系统最重要的通信系统 在 CPU 控制下 一个数据源设备和一个数 据目 的设备被允许在短时传输下连接到总线上 外部处理器总线 内部处理器总线通过位于微处理器集成电路上的一组总线缓冲 区连 接到外部处理器总线上 系统总线 微计算机板能够通过一个连接器与外部系统总线相联而能与其他板进 行通信 计算机输入和输出 CPU 外部的一组寄存器是与输入 输出系统有关的 I O 系统在接口处利用控制 地址 数据线通过 I O 寄存器来与外部处理器总线连接 有两种方法用于寻址 I O 寄存器 第一种方法 称为 I O 映射的输入 输出 操 作码本身有专门的 I O 指令 寻址在接口中 称为 I O 口的标号寄存器 第二种寻 址 I O 寄存器的方法给出了位于 CPU 寻址寄存器范围内的 I O 口地址 这叫 做存 储器映射的 I O 当然 没有任何存储器单元在同一寻址下作 I O 单元 存储器映 射方法的益处之一是存储器寻址方式的全部范围可用于 I O 寄存器寻址 Fu n d a m e n t a l s o f s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r s 单片机是本世纪两大引起争论的重大发明创新即数字计算机与集成电路发展的顶 p a g e 8 点 单片机有这样两种结构类型 一些使用了哈佛结构的分离的程 序 数据存储器 另一 些被通用计算机和微处理器广泛采用的是普林斯顿结构 遵循在程序存储器与 数据存储器之 间没有逻辑区别的原理 概括地讲 单片机的特征是将计算机的所有 部件都合并到一个单一的装置上 只读存储器 只读存储器 ROM ROM 通常用于 永久的 不易变的应用程序的存储 许多微计算 机和微控制器要有大量应用场合 因此这些设备的生产要求在制造过程中 程序存储器中的 内容要保证长久不变 显然 由于在生产后不能产生变化 因此这意味着要有一个 ROM 代 码开发的严格的 方法 这一开发过程不仅包括利用其硬件仿真能力的复杂开发系统的仿真 还包括强 大的软件工具的应用 一些生产商提供了包括带用户可编程存储器范围内设备的附加 ROM 可选项 其中最简 单的设备是在微处理器模式下运算 把一些输入 输出线用 作地址和数据总线来访问外部存 储器 虽然带有限定 I O 和改进的外部电路 但这 种类型的设备能够像单片机派生的功能那 样工作 这些无 ROM 设备的应用在生产电 路中通常是偶数 其容量不能调整 定制的单片 ROM 的开发成本 但与传统的基于电 路的微处理器相比 在 I O 和其他芯片上仍有很大的 节省 ROM 设备的更精确的替 代可通过不同形式的带有背页式 EPROM 可擦写编程 ROM 插座或由 EPROM 取代 RO M 的设备而获得 这些设备本质上比相等的 ROM 设备要 昂贵 但确实提供了完全等 效的电路 带 EPROM 的设备时少量的应用场合具很大诱惑 它 们可提供单片设备的 优点 单片 I O 等等 以及灵活的用户编程的方便性 写存储器 读 写存储器 RAM RAM 是用于程序执行过程中对对工作变量和数据的存储 存储 写存储器 器 的大小随设备的类型而变 但它与处理器有相同的特征宽度 4 8 16 位等 特 殊功能 寄存器 例如栈指针或定时寄存器通常合并到 RAM 区 在哈佛类型的微计算 机中 RAM 和寄存器常常没有实际分离 因此在一个微处理器系统情况下 没有必要 把 RAM 和处理器 寄存器区分开 中央处理单元 中央处理单元 CPU CPU 更象 任何一种微处理器 微计算机和微控制器的许多应用 包括 BCD 码的处理 例如 数据显示 因此 普遍发现 CPU 能很好地处理这一类型的数 据 由于许多控制器 的应用包括开或关单个输出线或读取单个线 因此对测试 设定和复位 存储器或 I O 的独立的位 它们通常也是很好的设备 这些线很容易与双套设备来接口 例 如 开关 恒温器 固态继电器 阀 电动机 等等 串行输入 输出 输出 串行输入 输出 串行输入和输出在不同的微处理器中策略有一些改变 大多数设备提 供允许 用户选择哪些针脚是输入端哪些是输出端 并行输入 输出 输出 具有终端设备的串 行通信通用的方法是用少量的线进行连接 这种通信 并行输入 输出 业可开发用于连 接特殊功能的芯片或将几个微计算机连在一起 公用异步和同步通信系统要 求协议 能提供成帧 开始和停止 信息 这可由硬件设施或 U S ART 通用 同步 异步 接 收 发送器 来使处理器从低电平 占时 细目中解脱出来 仅需选择一个波特率和其 他 可能的选项 停止位的数目 奇偶检验 等等 以及装载 或读取 串行发送器 或接收器 的缓冲区 相应格式的串行化再由硬件电路来完成 定时器 计数器设备 计数器设备 单片机的许多应用技术要求有精确估计所经过的时间 这可经仔细 定时 器 计数器设备 评定程序每一分支的执行时间来确定 但这很快会变为全部无效 除 了最简单的程序 较合 人意的方法是 用定时电路来精确独立计算精确的时间增量 经过一段预定时间后 产生一 个中断 这种类型的定时器通常被安排去预载所要求 的计数值 然后 定时器减小这一数值 当计数器减小为 0 时 产生一中断或设 置一个标志 较好的定时器有自动再加载初始计数值 的能力 这使程序员从再加载计数器和存取定时器再启动前所经过的时间的责任 中解脱出 来 如果需要连续精确的定时中断 否则 这是必要的 例如 在一个时钟 内 有时与定 时器相关的是事件计数器 这一设备通常有一特殊输入针 它可直 接驱动计数器 定时元件 大多数微计算机的时钟电路只需要简单的定时元件 若要 达到最大性能 必 定时元件 须用一个晶体来保证达到最大时钟频率 而不是超过 许多时钟电路也把电阻和电容用作低 成本定时元件或由外部源来驱动 如果微计算 机的外部需要同步的话 这后一种方案是很有 用的 A p r o c e s s c o n t r o l s y s t e m 此部分的主要目的是满足读者对自动过程控制的需要和激励读者来学习 自动 过程控制 与持续过程变量 温度 压力 流量 成分和期望操作值一类的量有关 正 p a g e 9 如我们在后续的 章节中所看到的 过程本身是动态的 变化不断发生 并且如果激励 未加入 重要的过程变 量 与安全有关的变量 产品质量和生产率 将不能获得 期望值 为了强化概念 让我们来考虑一个过程流通过浓缩流加热的热变换器 其 过程框图如 图 4 1A 1 此单元的目的是把一过程流从某一入口温度 Ti t 加热到某一 期望出口温度 T t 如前所 述 热介质是浓缩流 只要对周围环境没有热损失 过程流所获得的能量等同于浓缩流释放的热量 也就是说 热变换器和管子均绝缘 在这种情况下 释放的热量就是浓缩流浓缩的潜热 在此过程中 有许多变量可变 化 从而造成出口温度偏离期望值 如果发生此情况 激 励必须加入以更正此偏差 也就是说 激励将控制出口温度以维持其期望值 完成此目的的一种方法是首先测量 温度 T t 然后与期望值比较 基于此比较值 确定 以什么来更正偏差 浓缩流的 流量可用于更正偏差 也就是说 如果温度高于期望值 那么 到热变换器的浓缩流的 流量 能量 可调节减少 如果温度低于期望值 那么到热变换器的 浓缩流的流量 能量 可调节增加 所有这些均可由操作者人工完成 并且如果过程简单明 了 这将 不成问题 然而 在大多数过程控制工厂中 均有数百个变量必须保持期望值 那 么 更正过程将需要大量的操作人员 因此 我们希望自动的完成此控制 这就是说 我 们需 要一些不用操作人员介入就可控制这些变量的设备 这就是我们所说的自动过程 控制 为完成此目的 必须设计和实现控制系统 一种可能的控制系统和其基本元件 如图 5 1A 2 所示 首先是测量过程流的出口温度 完成此任务的是传感器 热电偶 阻抗温度仪 系统 温度计 电热调节器等 传感器会与热敏电偶相连 热敏电 偶从传感器采一输出点 并把 其转换为足够强的信号传递给一控制器 控制器接受 与温度相关的信号 并与期望值相比较 依赖于此比较值 控制器可确定怎样保持 温度在期望值 基于此决定 控制器给终端控制元 件传送另一信号 其反过来操作流 量 前面的段落介绍了控制系统的四个基本元件 它们是 传感器 通常称为主 要元件 热敏电偶 通常称为次要元件 控制器 控制系统的 脑 终端控制系统 经常为控制阀但不总是 一般其它终端控制元件为可变的 速度泵 传 送机和电动机 这些元件的重要性在于它们执行的是在每一个控制系统中所必须的三 个基本操作 这些 操作是 测量 M 传感器和热偶电阻的组合元件经常测 量被控变量 设定 D 基于测量值 控制器决定怎样维持变量在期望值 执行 A 作为控制器决定后的结果 系统必须采取一定的措施 通常有终端控 制元件 完成 如上所述 在每一个控制系统中这三个基本操作 M D 和 A 都会存在 在某 些系统 中 决定 执行操作相当简单 而在另一些系统中操作很复杂 工程人员设计 控制系统时必 须确保采取的措施要影响控制变量 也就是说 采取的措施要影响测量 值 否则 系统是不 可控的且有可能弊大于利 Se n s o r s a n d Tr a n s m i t t e r s 在第一单元中 我们了解了控制系统的四个基本元件是传感器 变送器 控制器 和终端 控制元件 我们也知道了这些元件执行每一个控制系统的三个基本操作 测量 M 设定 D 和执行 A 本部分随着控制器较详细的研究 简单介绍一下 传感器和变送器 传感器和变送器执行的是控制系统的测量 M 操作 传感器产生 一个机械的或与测量 的过程变量相关的类似的现象 反过来 变送器把这一现象转换 为可以传递的信号 因此 信号与过程变量相关 存在与传感器 变送器组合元件相 关的三个重要术语 通过测量的过程变量的高低数值 来设定仪表的范围 也就是说 可以考虑使用标有刻度的压力传感器 变送器来测量 20 表压 到 50 表压间的过程压 力 我们可以说 传感器 变送器组合元件的范围是 20 50 表压 仪表 的测量范围与 高低压数值间的范围是不同的 上述的压力仪表测量范围是 30 表压 总之 我们必 须明确高低数值来限定仪表的范围 也就是说 两个数值必须给出 仪表的测量范围 与两个数值间的范围是不同的 最后确定 低压数值作为仪表的零点 仪表的零点并 不一定 就是零 上述例子中 仪表的零点是 20 表压 其他工业传感器有 压力 流量 温度和水平面 有时候 获得描述传感器 热敏电阻 动态性能的参数对于系统 分析是很重要的 一旦得知测量间隔 增益即可容易获得 考虑一 个范围为 0 200 表压得电子压力传感器 变送器 增益被定义为输入变化量除以输出变化量 或激励函 数变化量除以响应变化量 在这种情况下 输出是电子信号 4 20 毫安 输入是 p a g e 10 过程压力 0 200 表压 因此 KT 20 m A 4 m A 16 m A m A 0 08 200 p s i g 0 p s i g 200 p s i g p s i g 15 p s i g 3 p s i g 12 p s i g p s i g 0 06 300 F 100 F 200 F F 考虑的另一个例子是范围在 100 300 F 的气动温度传感器 热敏电阻 增益为 KT 也就是说 传感器 变送器的增益是输出测量范围与输入测量范围的比率 上述 的两个例子表明传感器 变送器的增益是超过其完全操作范围的常量 大多数传感 器 变送器都是这种情况 然而 也有一些象用于测量流的微分压力 h 传感器不是这种 情况 的例子 微分压力传感器冷处理孔处的微分压力 微分压力与测定体积流的速率 F 的平方 有关 即 F 2 a h 描述当测量范围为 0 Fm a x g p m 的测定体积流时 输出信 号形式为微分压力热敏电阻的 公式为 16 M F 4 F 2 F m a x 2 式中 M F 输出信号 毫安 F 测定体积流 从等式中可知 变送器的增益获得如下 KT 标称增益为 d M F 2 16 F d F Fm a x 2 KT 16 Fm a x 0 1 0 2 0 5 1 0 0 75 1 50 1 0 2 0 此表达式说明增益不是常量 而是一个时间的函数 流量越大 增益越大 明确 的说 F At F m a x KT K T 0 0 因此 实际上增益在零到两倍标称增益间变化 在流体控制系统中这就造成了 非线性 目前 大多数生产厂家均提供产生潜入变送器的 嵌入式开方器的微分压力 热敏电阻 大多数传感器 变送器的动态响应比过程快 因此 时间常数和空载时间 经常被忽略 从而传递函数有纯增益给出 然而 当考虑动态特性时 一次或二次系 统的仪表传递函数通 KT 常表示为 G s s 1 或 G s KT s 2 s 1 2 P Co n t r o l l e r s a n d PI Co n t r o l l e r s 为了维持参考点 反馈控制器做出决定的方法是通过在被控量与参考点差别的基 础上 计算输出 在本单元中 我们将通过描述其操作的公式着眼于最普通的控制器 比例控制器 P 比例控制器 除了在这里不考虑的开 断控制器 比例控制器是最简 单的控制器 描述其操作的方程 式如下 m t m K c r t c t 或 式中 m t m K c e t m t 控制器的输出 p s i g 或 m A r t 参考点 p s i g 或 m A c t 被控量 p s i g 或 m A 这是热敏电 阻的信号 e t 误差信号 p s i g 或 m A 参考点与被控量的差别 K c 控制器增益 p s i m A 或 p s i m A m 偏差值 p s i g 或 m A 此值的意义在于它是误差为零时的输出 在中比例 的刻度 控制器中 此值通常被设定为 9 p s i g 或 12 m A 因为输入与输出范围是相同 的 3 15 p s i g 或 4 20 m A 输入信号和输出信号以及 参考点有时候也可用分 数或百分数来表示 可以有趣的看到等式 5 3A 1 描述的是一个反作用控制器 如 果控制器变量 c t 超过参考点 r t 误差变负 并且等式表明控制器的输出 m t 下降 在数学上显示正作用 控制器的一般方法是使控制器的增益 Kc 为负 然而 p a g e 11 必须牢记 在工业控制器中没有负增 益 只有正增益 反 正开关可以做到这一点 当做正作用控制器的控制系统的数学分析时 负增益 Kc 被使用 等