《储能材料与器件智能制造技术》课件-2.2.1 自动控制系统

《储能材料与器件智能制造技术》自动控制系统在智能制造领域，自动控制系统是实现设备自主运行、精准调控的核心基础。它通过整合功能元部件，按预设逻辑或实时反馈调整被控对象状态，确保输出量稳定。本文从系统构成、元部件分类及控制原理分类，解析自动控制系统核心知识。一、自动控制系统的整体构成：被控对象与控制器的协同架构自动控制系统由结构、功能各异的元部件组成，核心架构含被控对象与控制器两部分，通过信号传递与动作执行形成控制链路，完成“检测-比较-调整-执行”功能。被控对象是调控目标，决定系统设计方向；控制器是“决策与执行中枢”，由多类元件组成。如家用空调温控系统，被控对象是室内空气环境（被控量为温度），控制器含温度传感器、微处理器、继电器等，实现温度自动控制。这种“被控对象+控制器”架构是共性框架，差异体现在元部件选型、参数设计及信号处理逻辑。且控制器元部件功能具共通性，如各类系统都需测量元件获取被控量、比较元件算偏差、执行元件作用于被控对象，为标准化设计与跨领域应用提供便利。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用按功能，元部件分被控对象、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件及校正元件，各承担特定角色。（一）被控对象：控制系统的调控目标被控对象指被控制的机器、设备等，输出的需控制物理量为被控量，目标值为给定值。其特性影响控制难度与元部件选型，如工业中化工反应釜（被控量为温度、压力）、智能家居中热水器（被控量为水温）。不同被控对象“惯性”“延迟”不同，如大型车间温度控制延迟明显，小型电机转速控制响应快，设计时需先分析其动态特性。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（二）测量元件：被控量的“感知器官”核心功能是实时检测被控量实际值，并转为控制器可识别的电信号，非电量需转换。常见元件有温度测量的热电偶、压力测量的压电传感器等。如恒温箱用铂电阻检测温度，其电阻随温度变化转电压信号。测量元件精度决定控制精度，工业级系统常用高精度元件。（三）比较元件：偏差计算的“决策起点”作用是比较被控量实际值与给定值，算偏差信号，逻辑多为“偏差=给定值-实际值”。常见类型有电气类的差动放大器、机械类的齿轮差动机构。如数控机床进给系统，用差动放大器比较目标与实际位移，偏差信号调电机转速。其响应速度与精度影响系统反应灵敏度。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（四）放大元件：偏差信号的“动力放大器”偏差信号微弱，需放大元件放大到足够幅值与功率以驱动执行元件，要求“不失真放大”。常见元件有电子放大电路、液压放大器等。如工业阀门控制系统，5-10mV偏差信号经功率放大器放大至220V，驱动阀门电机。放大倍数与带宽需适配执行元件。（五）执行元件：控制指令的“最终执行者”直接作用于被控对象，按放大后的信号输出动作或能量，调整被控对象状态。类型需匹配被控对象，如旋转运动选电机、直线运动选气缸。常见元件有电气类的伺服电机、液压类的液压缸等。如恒温箱温度低时，放大信号驱动加热管发热；温度高时，加热管断电或风扇启动。其动作精度与响应速度决定被控量调整效果。二、自动控制系统的元部件功能分类：六大核心元件的角色与作用（六）校正元件：系统性能的“优化调节器”用于调整系统结构或参数，改善动态与稳态性能，如解决响应慢、超调大等问题。常以串联或反馈方式接入，常见元件有无源校正网络、数字校正模块等。如机床伺服系统用RC校正电路消除超调。其设计需结合系统动态特性。三、自动控制系统的控制原理分类：开环系统与闭环系统的差异按是否用被控量反馈调整，分开环与闭环控制系统，差异显著。（一）开环控制系统：无反馈的“单向控制”核心特征：被控量不反馈，控制仅由给定值决定，结构简单，含给定、放大、执行元件与被控对象，逻辑为“给定值→控制信号→执行→被控对象”。案例：自动售货机。用户选商品后，系统按预设程序驱动出货电机，不检测商品是否出货，卡货需人工干预。优点：结构简、成本低、响应快，适用于特性稳定、干扰少、精度要求低的场景。缺点：抗干扰弱、精度低，遇干扰或特性变化无法修正。还应用于自动门、洗衣机等。三、自动控制系统的控制原理分类：开环系统与闭环系统的差异（二）闭环控制系统：有反馈的“双向调节”核心：引入反馈，检测被控量与给定值比较算偏差，调整控制信号，结构完整，含各类元件，形成“给定值→比较→偏差→放大→执行→被控对象→测量→比较”闭环。案例：恒温箱控制系统。铂电阻测温度传微处理器，与设定值比较，温度低则驱动加热管，高则停加热或开风扇，加RC校正电路防波动，温度稳定在±0.5℃误差内。优点：精度高、抗干扰强、稳定性好，能修正偏差。如箱门打开温度降，系统快速调整恢复。缺点：结构繁、成本高、存稳定风险，参数不当易震荡，需校正元件优化。应用于工业机床、汽车巡航系统等。自动控制系统靠六大元件协同与不同控制原理，实现对被控对象的自主调控。设计需依被控对象特性、精度需求等选元部件与策略，开环适简单场景，闭环适复杂高精度场景。随智能控制技术发