四、控制系统的组成及各部分的作用

（一）检测装置

检测装置是检测被控量信号并转换成控制装置可以识别的信号的装置。检测装置中的核心是传感器。检测装置要把传感器检测的信号转换成控制装置能够识别的信号，这样便于识别、传输和控制。所以，很多检测装置是由传感器和信号转换器组成的。有些传感器的信号不需要转换装置就能够识别，这时检测装置直接称作传感器。

1．温度传感器

温度传感器可以检测温度，并能把温度转换成相应的电信号。常见的温度传感器有热电偶、热电阻（图4.24）。

图4.24　热电阻  图4.25 电阻式位移传感器

2．位移传感器

位移传感器可以测量物体移动的距离。位移传感器的原理有很多种，如电阻式位移传感器（简称电阻传感器）就是利用金属的电阻与长度成正比的性质，根据电阻大小测量位移的，如图4.25所示。

3．力传感器

力传感器（图4.26）可以测量力的大小。根据弹簧的弹力和弹簧伸长（或缩短）的长度，在电刷上安装一个弹簧，用一个力压缩弹簧。通过电刷的位移可以计算出压缩弹簧所用的力，这样就制成了力传感器。

图4.26力传感器

4．光传感器

光传感器（图4.27）是指能检测光的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、红外传感器等。

a.光敏电阻    b.光敏二极管    c.红外传感器

图4.27 光传感器

（二）控制装置

控制装置是控制系统的核心，它接收设定的被控量目标值，对控制对象进行控制；或者接收由传感器从输出端传来的信号，把这个信号与设定的目标值进行比较、判断，向执行装置发出动作指令，调节被控量达到控制目标。

控制装置有很多种，包括定时控制装置、机械控制装置、控制开关、单片机、计算机等。

1．定时控制装置

定时控制装置是以时间作为被控量进行控制的。控制装置的核心是计时器，通过开关控制对象或执行装置。比如微波炉的加热时间就是靠定时器控制的。设定好加热时间后，定时器开始计时，微波炉开始加热；达到设定时间后，定时器控制装置断开工作电源，微波炉停止加热。

定时控制装置可分机械式的和电子式的，如图4.28所示。

图4.28定时器

2．机械控制装置

机械控制装置是用机械零部件组成的控制装置。蒸汽机的飞球控制装置就是由齿轮、旋转轴、重球和杠杆等机械零部件组成的机械控制装置。

抽水马桶水箱液面控制系统（图4.29）中的控制装置是连接浮子和阀门的杠杆。水箱液面是靠杠杆和浮子在杠杆上的位置来控制的。该控制系统是靠机械装置（杠杆）进行水位控制的，属于机械控制装置。

图4.29 抽水马桶水箱液面控制系统

3．控制开关

控制开关是带有某种传感器的开关。有些可以作为控制装置使用，有些可以配合控制装置使用。控制开关主要包括以下几种：行程开关（图4.30），是靠物体接触时的压力拨动触头触发电路通、断；液位开关（图4.31），简单的液位开关是靠导电液体与固定在某一高度的电极接触或利用液体导电接通电路；光敏开关（图4.32），是利用光线控制的开关；声控开关，是接收到一定音量的声音时触发电路。

图4.30 行程开关和触点符号    图4.31 液位开关    图4.32 光敏式路灯开关

4．单片机、计算机

单片机实际上是一种微型化的计算机，它是把计算机的基本单元集成在一个硅片（芯片）上制成的（图4.33）。单片机包含了微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、定时器和输入/输出接口等。单片机和计算机一样具有运算、控制功能，连接各种传感器后，可以进行温度控制、压力控制、声音控制等。许多电器以单片机为核心组成控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调、电饭锅等。

大型、复杂的控制系统常采用计算机作为控制装置。工业控制系统对可靠性的要求非常高，因为一旦计算机出现故障，可能会造成非常严重的事故。所以，工业控制系统要选用专门的工业控制计算机，简称“工控机”。

图4.33　单片机控制装置

（三）执行装置

执行装置是按照控制装置的指令对控制对象及被控量进行控制、调节的装置。在控制、调节的时候往往需要某个动作。比如，水箱的水位达到预定高度了，要关闭阀门；电梯到达选定的楼层，要停下并开门；下课时间到了，要接通电源打铃；等等。执行这些动作，最终完成控制行为的装置就是执行装置。

执行装置需要某种动力来动作，这种动力可以是电动力、气动力、液压力、机械力等。常用的执行装置有电动机、电磁铁、电开关、阀门、气缸、油缸、杠杆、齿轮等。

1．开关和继电器

开关经常用来控制电灯，是一种执行装置。开关也可以控制其他执行装置，比如控制电动机、电磁铁等，这时可以将其看作是执行装置的一部分。

继电器是一种间接的开关，是用低电压、小电流的控制信号来控制大电流、高电压执行装置的控制器件，其结构与原理如图4.34所示。

图4.34 继电器的结构与原理

2．电磁阀

电磁铁通电产生电磁力，可以吸引铁磁性物质，比如衔铁，断电后电磁力消失。电磁铁通常和弹簧配合，制作成短距离往复运动的执行装置——电磁阀。电磁阀结构简单，控制方便。

电磁阀是感应式水龙头控制系统的执行装置，其中的主要部件是电磁铁。如图4.35所示为控制水龙头用的电磁阀。

图4.35电磁阀

3．电动机

电动机是最常用的动力装置，很多执行装置都是用电动机作为动力装置的。

电动机的规格种类非常多，如家用的电风扇、洗衣机、电冰箱等，使用的是220V的交流电动机；电动玩具上用的是直流微型电动机。如图4.36所示的是常用的直流电动机和一种带减速器的电动机。

电动机产生旋转运动，也可以通过配合齿轮、连杆等机构改变转速，或者把旋转运动转变成往复运动、摆动等。

图4.36电动机

4．气动装置

公共汽车车门的开启和关闭是由司机按动控制按钮，通过电磁阀打开气缸（图4.37）进气门或排气门来完成的，气缸就是开关车门的执行器。

图4.37 气缸

活动延伸

观察：生活中常见控制系统的组成都有什么？分析其中的检测装置、控制装置和执行装置分别是什么（表4.4）？

表4.4 常见控制系统的检测装置、控制装置和执行装置

——完——