电气控制系统的基本原理与功能

在现代化工业生产中，已实现生产工艺过程自动化，对生产过程的自动控制，主要是根据一些物理量的变化，进行跟踪、调节和控制，从而达到工艺要求的控制目标。这些变化的物理量通常是行程、速度、温度、压力、时间、位置及一些电量的变化，对这些量的控制通常是逻辑控制和模拟量控制或两者的组合控制。从电气控制系统来看，可分为开环控制和闭环控制。早期的电气控制主要是开关量控制和开环控制，而现代电气控制系统由于生产过程越来越复杂、要求自动化程度越来越高，往往是逻辑控制和模拟量控制两者的协调控制，甚至是闭环控制。因此，各种智能化、网络化控制方式等被引入到电气控制系统中，使得现代电气控制系统具有智能化、可通信、网络化控制的基本特征，同时传统的电动机控制的概念被引申到运动控制范畴，并成为运动控制的主要组成部分之一，即电气运动控制。图4-1是现代电气控制系统的主要内容示意图，表示了现代电气控制系统所包含和涉及的主要技术内容及概况。图4-2是电气控制系统的一般功能原理框图。

图4-2表示了一个完整的电气控制系统，包含a～i等9个基本的功能单元。基本控制环节前进通道有3个单元：指令源单元a、控制单元c和执行单元d。指令信号源有多种形式，可能是由人工、PLC、计算机、运动控制器和传感器等发出的开关或数字指令，也可能是由其他系统引申过来的控制信号；输入参量的接收和转换，也可能是由人工操作的开关或调节器的输出量，向h单元送入相应的控制信息；还有各种传感器送来的运动参数、过程参数实测值的反馈信息。控制单元c利用这些信息，以模拟或数字方式进行逻辑运算、判断、变换、比较等，向d单元输出控制指令；执行单元d，则按被驱动电机和工作模式不同，选择不同的电路结构进行控制。主要执行元件如图4-3所示。

液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点。气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。各种形式的液压式和气动式执行元件也都需要电动机作为动力元件。在这里连同电磁式执行元件统称为电气执行元件。电气执行元件除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，便于维修等。

图4-1 现代电气控制系统的主要内容示意图

图4-2 电气控制系统一般功能原理框图(https://www.xing528.com)

图4-3 主要执行元件的分类

反馈信号通道包括生产过程控制参量以及反映运行状态的参量，它们实际是指电流、电压、速度、温度、压力、流量、位移等电量或非电量的反馈，通过变换或直接输入到控制环节进行控制，以达到控制、改善、保护系统运行性能要求。而h单元是专为对生产现场过程参量进行模拟量控制设置的传感器或控制器的信息通道，它向控制单元c提供实时逻辑控制信号，产生正确的控制逻辑顺序，控制执行单元和被控对象。在输入参量单元中也为模拟量的设置提供了一个通道。最后一个g单元是自保护单元，它是双向的，对电机等被控对象的温度、电流、电压等参量进行检测和监视，对故障进行判断，或产生报警信号或直接关断执行单元。这9个功能单元的电气控制系统是根据具体的控制要求有取舍的，但一个电气控制系统或电路至少应包括a、c、d、g四个单元中的基本部分，即a单元的人力操作开关、c单元的逻辑、d单元的主触点及基本的保护环节。这一部分就是根据控制单元进行逻辑组合而成。如果需要对生产现场过程参量进行模拟量控制，一般有两种方式，一是对极限值进行控制，另一种是进行PID控制，它是在模拟控制系统中最常用的控制规律，如图4-18所示。

图4-4 物理量检测环节的结构原理示意图

图4-4中，常用的标准工业信号即模拟量控制信号有0～10V、0～20mA、4～20mA、0～5V、±10V等。控制器的含义，可以是专用控制器，如温度控制器，也可以是PLC、计算机、通用变频器等设备中的信号处理单元。