《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(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。課程簡(jiǎn)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(biāo)掌握控制系統(tǒng)的基本原理，能夠分析、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。適用人群對(duì)控制系統(tǒng)感興趣的同學(xué)從事相關(guān)領(lǐng)域的工程師課程目標(biāo)1掌握控制系統(tǒng)元件基本知識(shí)了解常見(jiàn)傳感器、執(zhí)行器、電子元件工作原理和應(yīng)用。2理解控制系統(tǒng)基本概念學(xué)習(xí)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力學(xué)習(xí)單片機(jī)在控制中的應(yīng)用，并掌握相關(guān)編程技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的基本概念定義控制系統(tǒng)是指通過(guò)自動(dòng)或人工方式，根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)，調(diào)節(jié)或改變系統(tǒng)運(yùn)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(guò)相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制。目的控制系統(tǒng)的目標(biāo)是使被控對(duì)象按照預(yù)定的要求運(yùn)行，從而達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。例如，溫度控制系統(tǒng)，目的是將溫度維持在設(shè)定值，保證生產(chǎn)過(guò)程的正常進(jìn)行。傳感器的分類(lèi)及原理溫度傳感器溫度傳感器可以將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用于檢測(cè)和控制溫度。壓力傳感器壓力傳感器可以將壓力變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用于測(cè)量和控制壓力。光傳感器光傳感器可以將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用于檢測(cè)和控制光照強(qiáng)度。距離傳感器距離傳感器可以檢測(cè)物體與傳感器的距離，用于自動(dòng)控制和安全監(jiān)測(cè)。各種常見(jiàn)傳感器常見(jiàn)傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等。它們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，將物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便控制系統(tǒng)進(jìn)行處理和反饋。溫度傳感器用于測(cè)量溫度，例如熱敏電阻、熱電偶等。壓力傳感器用于測(cè)量壓力，例如應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。光電傳感器用于測(cè)量光強(qiáng)或光線(xiàn)方向，例如光敏電阻、光電二極管等。信號(hào)調(diào)理電路的作用放大信號(hào)傳感器輸出的信號(hào)通常很微弱，需要放大才能被控制系統(tǒng)識(shí)別和處理。濾除噪聲環(huán)境中的噪聲會(huì)干擾信號(hào)傳輸，信號(hào)調(diào)理電路可以濾除這些干擾，保證信號(hào)的純凈度。轉(zhuǎn)換信號(hào)傳感器輸出的信號(hào)類(lèi)型可能與控制系統(tǒng)所需信號(hào)類(lèi)型不同，需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，例如模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。線(xiàn)性化有些傳感器的輸出信號(hào)是非線(xiàn)性的，需要經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理，使其符合控制系統(tǒng)的要求。信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)分析信號(hào)特點(diǎn)首先，了解信號(hào)的類(lèi)型、頻率、幅度、精度等特征，確定所需調(diào)理的目標(biāo)，例如放大、濾波、轉(zhuǎn)換等。選擇合適的電路結(jié)構(gòu)根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，選擇合適的電路結(jié)構(gòu)，例如放大器、濾波器、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，選擇合適的元器件，例如電阻、電容、電感、運(yùn)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(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，確保電路能夠正常工作，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。執(zhí)行器的分類(lèi)及原理機(jī)械執(zhí)行器主要利用機(jī)械部件完成動(dòng)作，例如：齒輪、凸輪、杠桿等，它們可以通過(guò)齒輪、凸輪、杠桿等機(jī)構(gòu)將能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，直接控制被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。液壓執(zhí)行器液壓執(zhí)行器利用液壓油的壓力來(lái)完成動(dòng)作，具有較大的輸出力，適用于重載控制系統(tǒng)。氣動(dòng)執(zhí)行器氣動(dòng)執(zhí)行器利用壓縮空氣來(lái)完成動(dòng)作，具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)完成動(dòng)作，具有體積小、響應(yīng)速度快、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，適用于精密控制系統(tǒng)。常見(jiàn)電磁執(zhí)行器電磁執(zhí)行器是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)。電磁閥電磁繼電器電磁制動(dòng)器繼電器及其使用繼電器的結(jié)構(gòu)繼電器由電磁鐵、銜鐵、觸點(diǎn)組成的。電磁鐵通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，銜鐵吸合，使觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)。繼電器的作用控制大電流或高電壓電路，實(shí)現(xiàn)電路的接通或斷開(kāi)?？梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，還可以用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。比例閥及其應(yīng)用1定義比例閥是一種特殊的電磁閥，可通過(guò)調(diào)節(jié)電流控制流體流量。它能夠根據(jù)輸入信號(hào)的大小來(lái)控制流體的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的精確控制。2應(yīng)用比例閥廣泛應(yīng)用于各種液壓系統(tǒng)，例如機(jī)械加工設(shè)備、工程機(jī)械、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)控制系統(tǒng)等。3優(yōu)勢(shì)比例閥具有響應(yīng)速度快、控制精度高、可靠性強(qiáng)、可調(diào)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。4分類(lèi)比例閥主要分為電磁式、液壓式和氣動(dòng)式。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制，無(wú)需編碼器反饋，適用于高精度定位應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電路的作用驅(qū)動(dòng)電路將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電流，確保電機(jī)按指令運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路的類(lèi)型常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有L298N、DRV8825等，可根據(jù)電機(jī)類(lèi)型和應(yīng)用需求選擇。直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)類(lèi)型直流電機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式分類(lèi)，包括永磁直流電機(jī)和電磁直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路組成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通常包含電源、控制電路、功率放大電路和保護(hù)電路。速度控制直流電機(jī)速度控制方法包括改變勵(lì)磁電流、改變電樞電壓或使用脈寬調(diào)制技術(shù)。電子元件的分類(lèi)被動(dòng)元件電阻、電容、電感等主動(dòng)元件二極管、三極管、集成電路等傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元件執(zhí)行器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)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(guò)，由電阻率決定。2電容電容器儲(chǔ)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(yīng)用二極管的工作原理二極管是一種電子元件，具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)正向偏置時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流可以從陽(yáng)極流向陰極。當(dāng)反向偏置時(shí)，二極管截止，電流無(wú)法通過(guò)。二極管的應(yīng)用二極管在電子電路中有著廣泛的應(yīng)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(hào)檢測(cè)和開(kāi)關(guān)電路。三極管的工作原理和應(yīng)用三極管結(jié)構(gòu)三極管由基極、發(fā)射極和集電極三個(gè)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(hào)，基極電流控制集電極電流，實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益。開(kāi)關(guān)作用三極管可以作為開(kāi)關(guān)使用，控制電路的通斷，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的邏輯控制。集成運(yùn)算放大器及應(yīng)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(hào)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、放大、濾波等。常用類(lèi)型運(yùn)算放大器分為通用型、精密型、高速型等，選擇合適的運(yùn)算放大器需考慮帶寬、噪聲、漂移等參數(shù)。典型應(yīng)用運(yùn)算放大器可用于構(gòu)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(mén)電路及應(yīng)用1基本邏輯門(mén)包括與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)等，它們是構(gòu)成復(fù)雜邏輯電路的基礎(chǔ)。2組合邏輯電路由多個(gè)邏輯門(mén)組成，實(shí)現(xiàn)特定的邏輯功能，例如編碼器、譯碼器、加法器等。3時(shí)序邏輯電路包含記憶功能，能夠根據(jù)輸入信號(hào)的變化和時(shí)間順序改變輸出，例如觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等。4應(yīng)用領(lǐng)域邏輯門(mén)電路廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)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(chǔ)單元。它可以存儲(chǔ)一個(gè)邏輯值，并保持該值直到收到新的輸入。鎖存器由門(mén)電路構(gòu)成，并通過(guò)輸入信號(hào)控制其輸出狀態(tài)。觸發(fā)器觸發(fā)器是一種更復(fù)雜的存儲(chǔ)單元。它們可以存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)邏輯值，并通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)控制其輸出狀態(tài)。觸發(fā)器通常由多個(gè)鎖存器組成，并可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能。計(jì)數(shù)器和移位寄存器計(jì)數(shù)器計(jì)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(yīng)用于計(jì)時(shí)、頻率測(cè)量和地址生成等。移位寄存器移位寄存器可以按位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并按照指定的順序進(jìn)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(hào)處理等。模擬量信號(hào)數(shù)字化技術(shù)模擬量信號(hào)數(shù)字化技術(shù)模擬信號(hào)是指連續(xù)變化的信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)則是離散的信號(hào)。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字化。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）ADC是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵部件，它將連續(xù)的電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字代碼。數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字化后的信號(hào)可以更方便地進(jìn)行存儲(chǔ)、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(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)的每個(gè)比特位映射到模擬電壓或電流的對(duì)應(yīng)值。常見(jiàn)類(lèi)型常見(jiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器類(lèi)型包括逐次逼近型、并行型、雙積分型等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。精度和速度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度和速度是重要指標(biāo)，決定其轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。更高的精度和速度意味著更高的成本。常見(jiàn)ADC及其性能指標(biāo)類(lèi)型特點(diǎn)性能指標(biāo)逐次逼近型精度高、速度慢分辨率、轉(zhuǎn)換速度、非線(xiàn)性誤差并行比較型速度快、精度低轉(zhuǎn)換速度、分辨率、功耗雙斜坡型精度高、功耗低分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、溫度穩(wěn)定性Σ-Δ型抗噪性強(qiáng)、易于集成信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、過(guò)采樣率控制系統(tǒng)的分類(lèi)及特點(diǎn)1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不包含反饋回路，控制過(guò)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(hào)會(huì)反饋至輸入端，形成閉環(huán)控制。3線(xiàn)性控制系統(tǒng)線(xiàn)性控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出與輸入之間呈線(xiàn)性關(guān)系，可運(yùn)用線(xiàn)性數(shù)學(xué)工具分析。4非線(xiàn)性控制系統(tǒng)非線(xiàn)性控制系統(tǒng)輸出與輸入之間非線(xiàn)性關(guān)系，分析方法更復(fù)雜。反饋控制系統(tǒng)及其作用精準(zhǔn)控制反饋控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出與目標(biāo)值之間的偏差，并及時(shí)調(diào)整輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出的精準(zhǔn)控制。穩(wěn)定性反饋控制系統(tǒng)通過(guò)不斷地調(diào)整，使系統(tǒng)在面對(duì)外部干擾時(shí)能夠保持穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。適應(yīng)性反饋控制系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的變化和目標(biāo)值的改變，自動(dòng)調(diào)整控制策略，提高系統(tǒng)的適應(yīng)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(lái)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(gè)參數(shù)相互影響，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。單片機(jī)在控制中的應(yīng)用靈活性和可擴(kuò)展性單片機(jī)能夠輕松地集成各種傳感器、執(zhí)行器和通信接口，構(gòu)建復(fù)