4.4 现代控制技术简介（课件）-《电工电子技术与技能》同步精品课堂（高教版）

《电子电工技术与技能》（高教版） 高等教育出版社 同步精品课程——中职专业课 第4章 常用电器 4.4 现代控制技术简介 知识目标 1.学生能够区分开环控制与闭环控制的概念，理解负反馈在控制系统中的作用。 识别传感器与执行元件： 2.了解执行元件在控制系统中的作用，并举例说明其应用场景。 能力目标 1.学生能够分析不同类型的控制系统，并能够应用所学知识理解和解释控制系统的工作原理。 2.学生能够识别在实际控制系统中常见的传感器和执行元件，并能够根据情景选择合适的控制元件进行应用。 3.学生能够设计简单的PID控制器结构，并且能够根据系统需求调整控制器参数以实现系统稳定性和精度要求。 情感目标 1.好奇心和求知欲：学生能够激发并保持对现代控制技术的好奇心和求知欲，乐于主动学习和探索相关知识。 2.团队合作和交流能力：学生能够积极参与小组合作学习，倾听他人意见并表达自己观点，培养团队合作和交流能力。 三维目标 导入情景 01 “在一家虽小却繁忙的工厂里，一台自动化生产线正在忙碌地生产产品。学生们站在一旁观察着机器的运行过程，感受着机械臂的精准操作和传感器的反馈控制。突然，一场突发故障发生了！机器突然停止了运转，生产线陷入了瘫痪状态，工人急忙寻找解决方案却一筹莫展。此时，老师走上前来，拉近学生们的距离，引导他们思考：控制技术是如何帮助工业生产变得更有效率、更可靠的呢？如何通过控制系统实现生产过程的自动化和优化？这些问题不仅关乎工厂的运转，也关乎我们日常生活中的方方面面。” 新知学习 02 一、现代控制技术简介 现代控制技术是PLC、变频器及传感器等的综合控制应用技术，其中PLC技术在工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)中居于首位;而传感器是获取信息的重要环节;变频器是一个电气控制装置，它能够很方便地与自动控制仪表相结合而组成电子控制系统，在自动化领域的应用十分广泛。 新知学习 02 可编程控制器的英文缩写为PLC，是指以计算机技术为基础的工业控制装置。PLC的外形如图2.4.33所示。 二、可编程控制器 新知学习 02 PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I0 )、输入输出扩展接口、外设接口、电源和编程器等组成。PLC的硬件结构如图2.4.34所示。 (1)中央处理器(CPU) CPU是PLC的核心，它不断地采集信号，执行用户程序，刷新系统的输出，并发出管理、协调PLC各部分工作的控制信号。 (2)存储器 PLC除硬件外，还必须有软件。PLC的软件由两部分组成:系统软件和用户应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器存放应用软件的存储器称为用户程序存储器 三、PLC的硬件结构 新知学习 02 (3)输入电路 输入电路由输入端子和输入状态寄存器(输入软继电器)组成。按钮开关、限位开关、传感器等发出的输入信号，送给输入电路后被转换成中央处理器能够接收和处理的数字信号存储起来，并在适当的时候传送给中央处理单元。 (4)输出电路 输出电路由输出端子和输出状态寄存器(输出软继电器)组成。CPU将PLC执行用户程序过程中的输出信号转换成现场设备能接收的控制信号储存起来，并在适当的时候送给外部执行设备，如电磁阀接触器线圈、信号灯等。 (5)电源 PLC使用220 V交流电源或24V直流电源，内部配有一个专用开关稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的5V直流工作电源。 三、PLC的硬件结构 新知学习 02 (6)编程器 编程器用于对用户程序的编制、编辑、调试检查，还可以通过其键盘调用和显示PLC内部的一些状态和系统参数实现监控等功能。它通过接口与CPU联系，完成人机对话。PLC正常工作时不需要编程器,一般设计成独立部件，故一台编程器可供多台PLC使用。 三、PLC的硬件结构 新知学习 02 变频器是把工频电源(50 Hz或60 Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电动机的变速运行的设备。图2.4.35所示为各种各样的变频器。常用变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。先通过整流电路将交流电变换成直流电，中间直流环节电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电，控制电路完成对主电路的控制，从而把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 四、变频器 新知学习 02 图2.4.36所示为一传感器应用示意图，用传送带移动瓶子，并自动检测瓶子个数及瓶子中液量。 传感器组成框图如图2.4.37 所示。 五、传感器工作过程 新知学习 02 半导体器件中，有光电二极管、光电三极管、发光二极管等，使用这些元器件或其组合，可以制成检测光的光传感器，它们把光信号红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号。图2.4.38所示的传感器就是光传感器。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。 六、光传感器 新知学习 02 光传感器应用举例:自动门，利用人体的红外微波来开关手机的摄像头、数码相机、光电鼠标利用光传感器来定位等。 温度传感器应用举例:电子温度计，把温度转换成电信号:冰箱、热水器都利用温度传感器来控制温度。 压力传感器应用举例:电子秤，借助压力传感器显示质量:生物医学测量中的心室导管式微音器就是由压电传感器制成的;压电式传感器也可以用来完成汽车发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量等。 七、生活中的传感器 小试牛刀 题目 1： 在现代电力系统中，智能电网的主要特点是： A. 电能消耗高 B. 无线通信技术成熟 C. 强调可再生能源利用 D. 历史悠久 答案：C. 强调可再生能源利用 解析：智能电网强调提高能源利用效率，促进可再生能源的集成和利用。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 2： 在现代控制系统中，什么是“编码器”的作用？ A. 编码数字信号 B. 编程控制器 C. 检查错误 D. 测量位置或速度 答案：D. 测量位置或速度 解析：编码器是一种用于测量旋转位置或线性位移的传感器。 尝试解答下面习题 单相变压器的基本结构包括以下哪些部分？ A. 铁芯、初级绕组、次级绕组、绝缘材料 B. 铁芯、次级绕组、初级绕组、绝缘材料 C. 铁芯、绝缘材料、初级绕组、次级绕组 D. 初级绕组、次级绕组、铁芯、绝缘材料 解析：正确答案是A。单相变压器的基本结构包括铁芯、初级绕组、次级绕组和绝缘材料等组成部分，它们共同实现电能的变压和传输。 小试牛刀 题目 3： 控制系统中的“闭环”和“开环”的区别在于： A. 是否反馈系统输出信息 B. 是否采用数字控制 C. 是否由人工控制 D. 是否采用电子元件 答案：A. 是否反馈系统输出信息 解析：闭环系统通过反馈信息调整控制行为，开环系统则没有反馈。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 4： 在现代控制技术中，什么是“软件定义网络（SDN）”？ A. 工业自动化系统 B. 无线通信网络 C. 控制系统管理平台 D. 网络架构的新兴模式 答案：D. 网络架构的新兴模式 解析：SDN是一种新兴的网络架构模式，具有灵活性和可管理性等优点。 尝试解答下面习题 题目 5： 在现代控制系统中，什么是“自适应控制”？ A. 控制器自动调整参数以适应系统变化 B. 由人工监控系统表现的某种类型的控制 C. 控制系统根据预设条件执行固定的操作 D. 完全由人工控制的系统 答案：A. 控制器自动调整参数以适应系统变化 解析：自适应控制系统能够根据系统变化自动调整控制参数，提高系统性能和稳定性。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 6： 在现代控制系统中，什么是“状态反馈控制”？ A. 控制器根据系统输出控制系统状态 B. 控制器根据系统状态实时反馈调整输出 C. 控制器根据外部输入设定控制状态 D. 控制器根据历史数据控制系统状态 答案：B. 控制器根据系统状态实时反馈调整输出 解析：状态反馈控制是根据系统当前状态进行调整的控制方式。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 7： 在现代工业控制中，什么是“行程开关”？ A. 用于测量温度的传感器 B. 用于控制电机运动范围的开关 C. 用于记录系统运行时间的设备 D. 用于调节气流的阀门 答案：B. 用于控制电机运动范围的开关 解析：行程开关在工业控制中用于检测和控制运动部件的位置范围。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 8： 以下哪项不是现代控制系统中常见的传感器类型？ A. 光电传感器 B. 压力传感器 C. 音频传感器 D. 磁力传感器 答案：C. 音频传感器 解析：音频传感器不常见于控制系统中，而其他三种传感器常用于不同应用领域。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 9：一台自耦变压器的原边匝数为200匝，副边匝数为50匝。当原边电压为220V时，副边输出电压为100V。假设变压器的效率为90%，求副边输出电流是多少？ 解答：根据自耦变压器的变压比公式：变压比 = 原边匝数 / 副边匝数 = 原边电压 / 副边电压 代入已知值：200 / 50 = 220 / 副边电压;副边电压 = 55V 代入已知值：输入功率 = 220V × 输入电流;副边输出功率 = 55V × 副边输出电流;副边输出电流 = (220V × 输入电流 × 90%) / 55V;副边输出电流 = 0.9 × 输入电流 因此，副边输出电流为输入电流的90%。若输入电流为I，则副边输出电流为0.9I。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 10：一台电流互感器的变比为1:1000，即在一侧流过1A的电流，能在另一侧感应出1000A的电流。若在一侧流过的电流为10A，求在另一侧感应出的电流是多少？ 解答：根据电流互感器的变比定义，变比为1:1000 表示一侧电流与另一侧电流的比例为1:1000。已知在一侧流过的电流为10A，根据变比可计算出在另一侧感应出的电流为：另一侧电流 = 10A × 1000 = 10000A 因此，在一侧流过10A的电流时，电流互感器在另一侧能够感应出的电流为10000A。 小试牛刀 尝试解答下面习题 课堂小结 03 今天我们学习了现代控制技术的基础知识，以下是我们的学习重点：控制系统简介：我们了解了控制系统的基本概念，包括开环控制和闭环控制的区别，以及负反馈在控制系统中的作用。传感器与执行元件：我们学习了传感器在控制系统中的重要性，传感器的类型以及其在测量和反馈中的作用。同时，我们也认识了执行元件的种类和在系统控制中的作用。控制器和调节器：我们探讨了PID控制器的工作原理，了解了比例、积分、微分三个环节在PID控制中的作用，以及PID控制器在系统稳定性和精度方面的优势。通讯协议和现代控制技术应用：我们简要介绍了Modbus等常见的通讯协议，在现代工业控制领域的应用以及物联网在控制领域的重要性，以及智能电网的特点及应用。 作业布置 04 完成课堂上未完成的练习题目，确保对现代控制技术的掌握。 复习现代控制技术的相关概念和应用，整理笔记，梳理知识框架。 完成作业本上关于现代控制技术的习题，加深对定理的理解。 准备下节课的讨论问题：你认为现代控制技术在实际生活中有哪些应用？请结合具体例子进行讨论。 感谢观看 $$