《控制系統(tǒng)元》課件

控制系統(tǒng)元件控制系統(tǒng)元件是組成控制系統(tǒng)的基本單元，例如傳感器、執(zhí)行器、控制器等。這些元件協(xié)同工作，實現(xiàn)對被控對象的控制，從而實現(xiàn)預期的目標。課程簡介課程內(nèi)容本課程將講解控制系統(tǒng)的基本概念、元器件、控制方法等內(nèi)容。課程目標掌握控制系統(tǒng)的基本原理，能夠分析、設計簡單的控制系統(tǒng)。適用人群對控制系統(tǒng)感興趣的同學從事相關領域的工程師課程目標1掌握控制系統(tǒng)元件基本知識了解常見傳感器、執(zhí)行器、電子元件工作原理和應用。2理解控制系統(tǒng)基本概念學習反饋控制系統(tǒng)、PID控制器的特性和調(diào)整方法。3培養(yǎng)單片機控制系統(tǒng)設計能力學習單片機在控制中的應用，并掌握相關編程技術?？刂葡到y(tǒng)的基本概念定義控制系統(tǒng)是指通過自動或人工方式，根據(jù)預設目標，調(diào)節(jié)或改變系統(tǒng)運行狀態(tài)的系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器等部分組成，通過相互作用，實現(xiàn)對目標的控制。目的控制系統(tǒng)的目標是使被控對象按照預定的要求運行，從而達到預期目標。例如，溫度控制系統(tǒng)，目的是將溫度維持在設定值，保證生產(chǎn)過程的正常進行。傳感器的分類及原理溫度傳感器溫度傳感器可以將溫度變化轉化為電信號，用于檢測和控制溫度。壓力傳感器壓力傳感器可以將壓力變化轉化為電信號，用于測量和控制壓力。光傳感器光傳感器可以將光照強度轉化為電信號，用于檢測和控制光照強度。距離傳感器距離傳感器可以檢測物體與傳感器的距離，用于自動控制和安全監(jiān)測。各種常見傳感器常見傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等。它們在控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，將物理量轉化為電信號，以便控制系統(tǒng)進行處理和反饋。溫度傳感器用于測量溫度，例如熱敏電阻、熱電偶等。壓力傳感器用于測量壓力，例如應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。光電傳感器用于測量光強或光線方向，例如光敏電阻、光電二極管等。信號調(diào)理電路的作用放大信號傳感器輸出的信號通常很微弱，需要放大才能被控制系統(tǒng)識別和處理。濾除噪聲環(huán)境中的噪聲會干擾信號傳輸，信號調(diào)理電路可以濾除這些干擾，保證信號的純凈度。轉換信號傳感器輸出的信號類型可能與控制系統(tǒng)所需信號類型不同，需要進行信號轉換，例如模擬信號轉換為數(shù)字信號。線性化有些傳感器的輸出信號是非線性的，需要經(jīng)過線性化處理，使其符合控制系統(tǒng)的要求。信號調(diào)理電路的設計分析信號特點首先，了解信號的類型、頻率、幅度、精度等特征，確定所需調(diào)理的目標，例如放大、濾波、轉換等。選擇合適的電路結構根據(jù)信號特點，選擇合適的電路結構，例如放大器、濾波器、轉換器等，并考慮電路的穩(wěn)定性、噪聲抑制、抗干擾能力等因素。選擇元器件根據(jù)電路結構，選擇合適的元器件，例如電阻、電容、電感、運算放大器等，考慮元器件的性能參數(shù)、成本、供貨情況等。調(diào)試和優(yōu)化完成電路設計后，需要進行調(diào)試和優(yōu)化，確保電路能夠正常工作，達到設計目標。執(zhí)行器的分類及原理機械執(zhí)行器主要利用機械部件完成動作，例如：齒輪、凸輪、杠桿等，它們可以通過齒輪、凸輪、杠桿等機構將能量轉換為機械運動，直接控制被控對象的運動。液壓執(zhí)行器液壓執(zhí)行器利用液壓油的壓力來完成動作，具有較大的輸出力，適用于重載控制系統(tǒng)。氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器利用壓縮空氣來完成動作，具有響應速度快、結構簡單、維護方便等優(yōu)點，常用于輕載控制系統(tǒng)。電磁執(zhí)行器電磁執(zhí)行器利用電磁力來完成動作，具有體積小、響應速度快、易于控制等優(yōu)點，適用于精密控制系統(tǒng)。常見電磁執(zhí)行器電磁執(zhí)行器是一種將電能轉換為機械能的裝置，在控制系統(tǒng)中扮演著重要角色。電磁執(zhí)行器主要利用電磁力的作用來驅動執(zhí)行機構，實現(xiàn)對被控對象的控制，應用于各種自動化控制系統(tǒng)。電磁閥電磁繼電器電磁制動器繼電器及其使用繼電器的結構繼電器由電磁鐵、銜鐵、觸點組成的。電磁鐵通電產(chǎn)生磁場，銜鐵吸合，使觸點閉合或斷開。繼電器的作用控制大電流或高電壓電路，實現(xiàn)電路的接通或斷開?？梢詫崿F(xiàn)遠距離控制，還可以用于自動控制系統(tǒng)中。比例閥及其應用1定義比例閥是一種特殊的電磁閥，可通過調(diào)節(jié)電流控制流體流量。它能夠根據(jù)輸入信號的大小來控制流體的流量，從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的精確控制。2應用比例閥廣泛應用于各種液壓系統(tǒng)，例如機械加工設備、工程機械、汽車發(fā)動機、飛機控制系統(tǒng)等。3優(yōu)勢比例閥具有響應速度快、控制精度高、可靠性強、可調(diào)范圍廣等優(yōu)點。4分類比例閥主要分為電磁式、液壓式和氣動式。步進電機及其驅動電路步進電機的特點步進電機可實現(xiàn)精確的轉動角度控制，無需編碼器反饋，適用于高精度定位應用。驅動電路的作用驅動電路將數(shù)字脈沖信號轉換為控制步進電機旋轉的電流，確保電機按指令運行。驅動電路的類型常見的步進電機驅動電路有L298N、DRV8825等，可根據(jù)電機類型和應用需求選擇。直流電機及其驅動電路直流電機類型直流電機根據(jù)勵磁方式分類，包括永磁直流電機和電磁直流電機。驅動電路組成直流電機驅動電路通常包含電源、控制電路、功率放大電路和保護電路。速度控制直流電機速度控制方法包括改變勵磁電流、改變電樞電壓或使用脈寬調(diào)制技術。電子元件的分類被動元件電阻、電容、電感等主動元件二極管、三極管、集成電路等傳感器將物理量轉換為電信號的元件執(zhí)行器將電信號轉換為機械動作的元件電阻、電容、電感的基本特性1電阻電阻器阻礙電流流過，由電阻率決定。2電容電容器儲存電能，由電容值決定。3電感電感器抵抗電流變化，由電感量決定。二極管的工作原理和應用二極管的工作原理二極管是一種電子元件，具有單向導電性。當正向偏置時，二極管導通，電流可以從陽極流向陰極。當反向偏置時，二極管截止，電流無法通過。二極管的應用二極管在電子電路中有著廣泛的應用。例如，整流電路、限幅電路、穩(wěn)壓電路等。二極管還可以用于信號檢測和開關電路。三極管的工作原理和應用三極管結構三極管由基極、發(fā)射極和集電極三個區(qū)域組成，其中基極控制電流流向，發(fā)射極發(fā)射電子，集電極收集電子。放大作用三極管可以放大電流和電壓信號，基極電流控制集電極電流，實現(xiàn)信號增益。開關作用三極管可以作為開關使用，控制電路的通斷，實現(xiàn)信號的邏輯控制。集成運算放大器及應用基本特性高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗，可放大微弱信號，廣泛應用于信號處理、放大、濾波等。常用類型運算放大器分為通用型、精密型、高速型等，選擇合適的運算放大器需考慮帶寬、噪聲、漂移等參數(shù)。典型應用運算放大器可用于構建各種電路，例如：電壓跟隨器、反相放大器、非反相放大器、積分器、微分器、濾波器等。邏輯門電路及應用1基本邏輯門包括與門、或門、非門等，它們是構成復雜邏輯電路的基礎。2組合邏輯電路由多個邏輯門組成，實現(xiàn)特定的邏輯功能，例如編碼器、譯碼器、加法器等。3時序邏輯電路包含記憶功能，能夠根據(jù)輸入信號的變化和時間順序改變輸出，例如觸發(fā)器、計數(shù)器等。4應用領域邏輯門電路廣泛應用于計算機、通信、工業(yè)控制等領域，實現(xiàn)邏輯運算、信息處理等功能。鎖存器及觸發(fā)器鎖存器鎖存器是一種基本的存儲單元。它可以存儲一個邏輯值，并保持該值直到收到新的輸入。鎖存器由門電路構成，并通過輸入信號控制其輸出狀態(tài)。觸發(fā)器觸發(fā)器是一種更復雜的存儲單元。它們可以存儲一個或多個邏輯值，并通過時鐘信號控制其輸出狀態(tài)。觸發(fā)器通常由多個鎖存器組成，并可以實現(xiàn)更復雜的邏輯功能。計數(shù)器和移位寄存器計數(shù)器計數(shù)器可以記錄數(shù)字脈沖的次數(shù)，在數(shù)字電路中廣泛應用于計時、頻率測量和地址生成等。移位寄存器移位寄存器可以按位存儲數(shù)據(jù)，并按照指定的順序進行移位操作，在數(shù)字電路中常用于串行數(shù)據(jù)傳輸和信號處理等。模擬量信號數(shù)字化技術模擬量信號數(shù)字化技術模擬信號是指連續(xù)變化的信號，而數(shù)字信號則是離散的信號。將模擬信號轉換為數(shù)字信號的過程稱為數(shù)字化。模數(shù)轉換器（ADC）ADC是將模擬信號轉換為數(shù)字信號的關鍵部件，它將連續(xù)的電壓或電流信號轉換為離散的數(shù)字代碼。數(shù)字信號處理數(shù)字化后的信號可以更方便地進行存儲、傳輸和處理，為控制系統(tǒng)提供精確的數(shù)字信息。數(shù)模轉換器的工作原理轉換原理數(shù)模轉換器將數(shù)字信號轉換為模擬信號，將數(shù)字信號的每個比特位映射到模擬電壓或電流的對應值。常見類型常見數(shù)模轉換器類型包括逐次逼近型、并行型、雙積分型等，各有優(yōu)缺點，適用于不同應用場景。精度和速度數(shù)模轉換器的精度和速度是重要指標，決定其轉換結果的準確性和實時性。更高的精度和速度意味著更高的成本。常見ADC及其性能指標類型特點性能指標逐次逼近型精度高、速度慢分辨率、轉換速度、非線性誤差并行比較型速度快、精度低轉換速度、分辨率、功耗雙斜坡型精度高、功耗低分辨率、轉換時間、溫度穩(wěn)定性Σ-Δ型抗噪性強、易于集成信噪比、動態(tài)范圍、過采樣率控制系統(tǒng)的分類及特點1開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)不包含反饋回路，控制過程不受系統(tǒng)輸出影響。2閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)包含反饋回路，輸出信號會反饋至輸入端，形成閉環(huán)控制。3線性控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出與輸入之間呈線性關系，可運用線性數(shù)學工具分析。4非線性控制系統(tǒng)非線性控制系統(tǒng)輸出與輸入之間非線性關系，分析方法更復雜。反饋控制系統(tǒng)及其作用精準控制反饋控制系統(tǒng)通過實時監(jiān)測輸出與目標值之間的偏差，并及時調(diào)整輸入，實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的精準控制。穩(wěn)定性反饋控制系統(tǒng)通過不斷地調(diào)整，使系統(tǒng)在面對外部干擾時能夠保持穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)正常運行。適應性反饋控制系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的變化和目標值的改變，自動調(diào)整控制策略，提高系統(tǒng)的適應性。PID控制器的特性及調(diào)整比例控制比例控制根據(jù)誤差的大小來調(diào)整輸出，誤差越大，輸出越大。積分控制積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差，防止系統(tǒng)出現(xiàn)偏差。微分控制微分控制抑制超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參數(shù)調(diào)整PID控制器的三個參數(shù)相互影響，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。單片機在控制中的應用靈活性和可擴展性單片機能夠輕松地集成各種傳感器、執(zhí)行器和通信接口，構建復