《控制器实例》课件

控制器实例控制器作为现代工业自动化的核心设备，在各个领域都发挥着至关重要的作用从简单的家用电器控制到复杂的工业生产线管理，控制器技术的发展推动着整个社会的智能化进程本课程将通过丰富的实例展示各类控制器的原理、设计方法和实际应用，帮助大家深入理解控制系统在现代工程中的重要地位和实现方式控制器基础概述控制的定义及作用控制器分类体系控制目标与被控对象控制是指使被控对象按照预定目标控制器按信号处理方式可分为模拟控制目标是控制系统期望达到的性运行的技术和方法在工程领域控制器和数字控制器模拟控制器能指标，如温度、压力、速度等物中，控制技术能够实现生产过程的处理连续信号，响应速度快；数字理量的精确控制被控对象是需要自动化，提高产品质量，降低生产控制器通过计算机程序实现控制算被控制的设备或工艺过程，可能是成本，确保安全运行现代工业生法，功能强大且易于修改可编程单一设备如电机，也可能是复杂的产几乎离不开各种形式的控制系逻辑控制器（PLC）是工业控制的生产线或化工装置统重要设备人工控制与自动控制观测操作员通过仪表或传感器观察被控对象的当前状态比较决策将观测值与设定值比较，根据经验判断需要采取的控制动作执行手动调节控制器输出，改变执行器的动作来影响被控对象人工控制依赖操作员的经验和技能，反应速度有限且容易受到人为因素影响自动控制系统通过传感器自动检测、控制器自动计算和执行器自动调节，实现了无人值守的精确控制，大大提高了控制精度和响应速度，减少了人为误差控制系统基本结构传感器检测控制器处理实时监测被控对象的输出信号，将物理接收传感器信号，与设定值比较后计算量转换为电信号控制算法反馈调节执行器动作形成闭环回路，持续修正控制动作直到根据控制器输出调节阀门、电机等执行达到目标元件典型控制系统由给定环节、比较环节、控制器、执行器、被控对象和反馈环节组成信号在系统中按照设定值比较控制器执行→→→器被控对象传感器反馈的路径流动，形成闭环控制回路这种结构保证了系统能够自动纠正偏差，实现精确控制→→→开环控制系统实例系统特点工作原理家用电风扇调速器是典型的开环调速器内部通过电阻分压或可控控制系统用户通过旋钮设定风硅调相的方式改变输出电压有效速档位，控制器直接输出对应的值当用户选择高速档时，输出电压或频率信号驱动电机，不检接近额定电压；选择低速档时，测实际转速系统结构简单，成输出较低电压电机转速基本与本低廉，但无法自动纠正转速偏电压成正比关系，实现粗略的速差度控制应用局限由于没有反馈环节，当电网电压波动或电机负载变化时，实际转速会偏离预期值例如电压下降时风扇转速变慢，但系统无法自动补偿这种控制方式只适用于对精度要求不高的简单应用场合闭环控制系统实例温度检测热水器内置温度传感器实时监测水温，将温度信号转换为电信号传送给控制器传感器通常采用热敏电阻或热电偶，响应速度快，精度高偏差计算控制器将检测到的实际水温与用户设定的目标温度进行比较，计算温度偏差如果实际温度低于设定值，控制器输出加热信号；如果高于设定值，则停止加热加热调节根据温度偏差大小，控制器调节加热功率当偏差较大时全功率加热；接近设定温度时降低功率或间歇加热，避免温度过冲通过继电器或可控硅实现功率调节反馈闭环加热使水温上升，温度传感器将新的温度信息反馈给控制器，形成闭环调节系统能够自动维持设定温度，即使外界环境温度变化或热水使用量变化，也能保持出水温度稳定自动控制的工程意义持续精确调节强大抗干扰能力自动控制系统能够24小时不间断地监测和调节被控对象，实现恒自动控制系统具备优秀的抗干扰能力，能够自动补偿外界扰动对定的输出控制与人工控制相比，自动控制消除了人为疲劳和注系统的影响当原料成分变化、环境温度波动或设备老化时，控意力分散带来的误差，控制精度可达

0.1%甚至更高制系统会自动调整控制参数，维持输出稳定在化工生产中，反应器温度的微小波动都可能影响产品质量，自例如发电厂的汽轮机调速系统，当电网负荷突然变化时，系统能动控制系统能够将温度偏差控制在±

0.5℃以内，远超人工控制水在几秒内自动调节蒸汽流量，保持发电机转速和频率稳定，确保平电网安全运行控制系统性能指标稳定性系统在扰动后能回到平衡状态快速性系统响应速度和调节时间准确性稳态误差和跟踪精度控制系统性能评价主要从三个方面考虑稳定性是最基本要求，不稳定的系统无法正常工作快速性体现在上升时间、调节时间和超调量等指标上，要求系统能快速响应设定值变化准确性反映系统的稳态精度，包括稳态误差和抗干扰能力工程中需要在这三个指标间取得平衡，不能单纯追求某一方面的极致性能控制系统数学模型模型验证传递函数通过实验数据验证数学模型的准确性，对比物理建模通过拉普拉斯变换将微分方程转换为传递函理论计算与实际测量结果如果偏差较大，根据系统的物理原理建立微分方程组，描述数形式，便于分析系统的频域特性传递函需要修正模型参数或增加被忽略的因素，确输入输出之间的动态关系考虑系统的质数是复变量s的有理分式，分子多项式的根称保模型能够准确描述系统特性量、阻尼、弹性等物理参数，运用牛顿定为零点，分母多项式的根称为极点律、基尔霍夫定律等基本定律建立数学模型控制器简介PID比例控制积分控制微分控制输出与偏差成正比，响消除稳态误差，但会降根据偏差变化率预测系应速度快但存在稳态误低系统稳定性积分作统趋势，提前进行控制差比例增益过大会引用对偏差的累积进行补调节微分作用能够改起系统振荡，过小则响偿，只要存在偏差就会善系统的动态性能，减应缓慢通过调节比例持续调节积分时间常少超调，但对噪声敏系数可以平衡快速性与数过小会导致系统振荡感，实际应用中需要加稳定性甚至失稳入滤波环节PID控制器将比例、积分、微分三种控制作用有机结合，形成了工业控制中应用最广泛的控制算法通过合理整定三个参数，可以使系统同时具备快速性、稳定性和准确性，适用于绝大多数工业控制场合控制器工业实例PID温度检测运算PID锅炉出口温度传感器实时监测蒸汽温度，信控制器计算温度偏差，执行PID算法比例号传送至PID控制器传感器选用铂电阻作用快速响应温度变化，积分作用消除稳态PT100，测量范围0-500℃，精度±

0.2℃，响偏差，微分作用预测温度趋势，避免过度调应时间小于5秒节引起的温度波动性能监测燃料调节系统将蒸汽温度控制在设定值±2℃范围内，PID输出信号控制燃料供应阀门开度，调节调节时间小于60秒相比传统手动控制，温燃烧强度阀门采用气动执行器，响应时间度波动降低80%，燃料消耗减少15%，大幅2-3秒，控制精度±1%，确保燃料流量与温度提升了锅炉运行效率需求精确匹配串级控制系统结构主回路控制控制最终的工艺变量，如产品温度、浓度等关键指标副回路快速响应控制中间变量，如加热蒸汽流量、冷却水流量等操作变量干扰抑制增强副回路快速抑制二次干扰，提高整体控制品质串级控制系统采用主、副两个回路嵌套的结构设计主控制器根据主被控量偏差计算控制输出，作为副控制器的设定值副控制器快速调节执行器，抑制进入副回路的干扰这种结构特别适用于具有较大滞后、容易受到二次干扰影响的控制对象，如大型反应器、锅炉等设备串级控制典型案例反应釜温度控制主控制器监测釜内反应温度，与工艺设定温度比较计算偏差当反应放热导致温度升高时，主控制器输出降温信号给副控制器，要求增加冷却水流量冷却水流量调节副控制器接收主控制器的流量设定值，与实际流量比较后快速调节冷却水阀门副回路响应时间约5-10秒，能够迅速抑制冷却水压力波动等二次干扰系统性能提升串级控制系统将反应温度波动控制在±1℃以内，调节时间缩短至2分钟相比单回路控制，温度控制精度提高60%，产品质量合格率从85%提升至98%比值控制系统实例±2:

10.5%设定比例控制精度药液A与药液B的混合比例严格按照工艺要求比值控制精度达到±

0.5%，确保产品质量稳定设定秒15响应时间当主物料流量变化时，从物料流量在15秒内完成跟踪调节比值控制系统广泛应用于制药、饮料、化工等需要精确配比的行业系统以主物料流量为基准，通过比值运算器计算从物料的设定流量，从物料控制器根据设定值调节阀门开度当主物料流量发生变化时，从物料流量按固定比例自动跟踪调节，确保混合比例恒定这种控制方式不仅保证了产品质量的一致性，还大大减少了操作员的工作负担，提高了生产自动化水平前馈控制系统实例冷流体温度检测进口冷流体温度传感器检测温度变化，信号送入前馈控制器当进口温度降低时，需要增加热流体供应以维持出口温度恒定前馈补偿计算前馈控制器根据冷流体温度变化和热交换器特性，计算所需的蒸汽流量补偿量补偿信号与反馈控制器输出叠加，驱动蒸汽调节阀快速预调节在出口温度还未发生偏差前，前馈控制就已经开始调节蒸汽流量，有效减少了系统的动态偏差和调节时间反馈精确控制反馈控制器监测出口温度，消除前馈控制的模型误差和未知干扰影响，确保出口温度的最终精度前馈补偿实际效果干扰抑制能力节能减排效益前馈控制系统能够将主要干扰对被控量的影响降低70-80%在热某钢铁厂采用前馈控制优化加热炉燃烧系统后，年节约天然气交换器应用中，当冷流体进口温度从20℃突变至10℃时，仅采用800万立方米，减少CO₂排放

1.5万吨系统能够根据钢坯尺寸和反馈控制的出口温度偏差达到8℃，调节时间需要5分钟目标温度预调燃料供应，避免过度加热而前馈-反馈复合控制系统的最大偏差仅为2℃，调节时间缩短至化工企业在精馏塔控制中应用前馈补偿，蒸汽消耗降低12%，产2分钟，显著改善了控制品质，减少了温度波动对后续工艺的影品纯度提高

0.5%前馈控制不仅改善了控制性能，还带来了显著响的经济效益和环境效益分布式控制系统（）概述DCS系统架构特点功能集成优势网络通讯能力DCS采用分散控制、集中管理的设计理DCS将控制、监测、报警、历史记录等现代DCS支持多种工业通讯协议，如念现场控制站就地安装，通过高速功能集成在统一平台上操作员可以Profibus、Foundation Fieldbus、Hart数据总线与操作站连接每个控制站在中控室监视全厂工艺流程，设定控等系统具备良好的开放性和互操作独立运行，即使通讯中断也能继续控制参数，查看历史趋势系统提供丰性，能够与ERP、MES等上层管理系统制，保证了系统的高可靠性富的工程工具，简化了组态和维护工无缝集成，实现信息的纵向贯通作工程案例DCS反应单元控制分离精制控制15%系统负荷25%系统负荷•温度压力精确调节•精馏塔操作优化•反应进度实时监控•产品纯度自动调节•安全联锁保护•能耗最优化控制安全环保监测公用工程控制25%系统负荷35%系统负荷•有害气体泄漏检测•蒸汽供应平衡调度•废水排放监控•循环水系统优化•应急停车系统•电力负荷管理可编程逻辑控制器（）基础PLC编程软件梯形图、功能块图等编程语言中央处理器程序执行和逻辑运算核心输入输出模块数字量和模拟量信号接口电源供应系统为CPU和I/O模块提供稳定电源PLC作为专为工业环境设计的控制设备，具有高可靠性、强抗干扰能力和丰富的I/O接口CPU负责执行用户程序，处理逻辑运算和数据通讯输入模块将现场开关、传感器信号转换为CPU可识别的数字信号；输出模块驱动继电器、阀门等执行器件模块化设计使系统配置灵活，维护方便，广泛应用于制造业自动化改造时序控制实战例子PLC启动条件检测系统检测安全门关闭、急停按钮复位、输送带无故障等启动条件所有条件满足后，主电机启动指示灯点亮，输送带开始运行，同时启动产品检测传感器产品识别分拣光电传感器检测到产品后，触发相机进行图像识别PLC根据识别结果计算产品到达各分拣点的时间，提前激活对应的气动推杆，将合格品和不合格品分别推入不同传送带计数统计功能PLC实时统计通过产品总数、合格品数量、不合格品数量，计算合格率并显示在触摸屏上当不合格率超过设定阈值时，系统自动报警并记录异常时间停机保护逻辑系统具备完善的停机保护功能紧急停止时立即切断主电机电源；正常停机时等待输送带上产品全部处理完毕后再停止电机，避免产品损失程序设计常用方法PLC时序控制编程移位寄存器应用步进程序设计使用定时器和计数器实现设备移位寄存器能够跟踪产品在生将复杂的控制过程分解为若干的时序动作控制通过设定不产线上的位置和状态每个寄个步骤，每个步骤完成特定的同的定时值控制动作的先后顺存器位代表一个工位，产品信动作使用步进指令或状态机序和持续时间，适用于自动化息随着节拍信号在寄存器中移编程方法，程序结构清晰，易生产线的节拍控制和设备保护位传递，实现复杂的物料跟踪于调试和维护，特别适合机械延时控制手等复杂运动控制逻辑分析工具现代PLC编程软件提供强大的逻辑分析和仿真功能程序员可以在不连接实际设备的情况下测试程序逻辑，使用在线监控功能实时查看变量状态，大大提高了程序开发效率生产线步进控制实例车体定位工位车体通过输送链到达装配工位后，液压定位夹具自动夹紧车体位置传感器确认定位到位后，发送准备就绪信号给下一工位，整个定位过程耗时15秒，定位精度±

0.5mm零件安装工位六轴机械手根据预设程序自动抓取零件并精确安装到指定位置视觉系统检测安装质量，合格后机械手退回原位力矩传感器监测拧紧力矩，确保装配质量符合工艺要求质量检测工位自动检测设备对装配质量进行全面检查，包括尺寸精度、装配间隙、紧固力矩等关键参数检测数据实时上传到质量管理系统，不合格产品自动打标并转入返修线产品下线工位合格产品自动解除定位夹紧，输送到下一工序PLC记录产品编号、装配时间、质量参数等信息，建立完整的产品档案整条生产线节拍时间控制在90秒以内移位寄存器控制应用瓶子进入检测光电传感器检测到瓶子进入生产线时，PLC将1移入移位寄存器的第一位，代表该位置有瓶子同时启动计数器，记录进入瓶子的总数量位置信息移位每当输送带前进一个工位，PLC执行移位指令，寄存器中的数据全部向前移动一位这样可以准确跟踪每个瓶子在生产线上的位置，确保在正确的工位执行相应操作灌装操作控制当移位寄存器第5位为1时，表示该位置有瓶子到达灌装工位PLC启动灌装阀门，精确控制灌装量和灌装时间灌装完成后，质量检测装置检查液位是否合格产品质量跟踪如果某个瓶子灌装不合格，PLC在移位寄存器对应位置标记0，表示该位置产品需要剔除当不合格产品移动到剔除工位时，气动推杆将其推出主线进入废品收集区温度过程控制案例控制策略模糊控制优势PID传统PID控制器根据室内温度与设定值的偏差计算输出当温差模糊控制器将温度偏差和偏差变化率作为输入变量，通过模糊推较大时，空调以最大功率运行；接近设定温度时，通过调节压缩理决定空调运行策略系统能够根据室内人员数量、外界气温等机转速和风机档位实现精确控制因素自动调整控制参数PID参数整定比例系数Kp=

2.5，积分时间Ti=300秒，微分时间模糊控制响应速度快，超调小，鲁棒性强在相同工况下，模糊Td=60秒控制精度可达±1℃，但在负荷突变时响应较慢，容易控制的温度波动比PID控制减少40%，能耗降低15%，明显改善了产生温度波动室内舒适度液位水泵控制实例/液位检测控制逻辑运算采用压力式液位传感器安装在水池底PLC比较实际液位与设定值，当液位低部，通过测量液体静压力计算液位高于下限时启动补水泵；高于上限时停止度传感器量程0-5米，精度

0.5%，输出补水为避免频繁启停，设置5cm的死4-20mA标准信号给PLC模拟量输入模区带，确保水泵运行稳定性块安全保护功能水泵联动控制系统具备低液位保护、电机过载保护、系统配置两台水泵互为备用，自动轮换管路压力监测等安全功能异常情况下使用延长设备寿命当单台泵无法满足自动停泵并报警，防止水泵空转损坏补水需求时，自动启动第二台泵并联运历史数据记录便于故障分析和维护计划行水泵故障时立即切换备用泵制定电机调速控制案例压力传感器管网压力变送器实时监测供水压力，将0-

1.6MPa压力信号转换为4-20mA电流信号运算PID控制器计算压力偏差，执行PID算法输出0-10V调速信号给变频器变频调速变频器根据控制信号调节输出频率，改变水泵电机转速实现流量调节节能效果恒压供水系统比传统调节阀控制方式节电30-50%，大幅降低运行成本恒压供水系统采用变频器+PID控制实现管网压力恒定当用水量增加导致压力下降时，PID控制器自动提高变频器输出频率，增加水泵转速；用水量减少时则降低转速系统响应速度快，压力稳定性好，避免了传统节流调节的能量损失，在住宅小区、办公楼等场所得到广泛应用单片机控制实例传感器融合技术路径规划算法扫地机器人集成陀螺仪、加速度单片机运行SLAM（同时定位与地计、超声波传感器、红外传感器图构建）算法，实时构建房间地等多种传感器陀螺仪测量角速图并规划清扫路径采用弓字形度，加速度计检测运动状态，超路径确保覆盖率，遇到障碍物时声波传感器测距避障，红外传感自动绕行，避免重复清扫区域器识别地面材质智能决策控制系统根据地面脏污程度自动调节吸力大小，在地毯区域增强吸力，在硬质地面降低功耗电池电量不足时自动返回充电座，充电完成后继续未完成的清扫任务运动控制卡实用案例轨迹插补算法运动控制卡执行直线插补和圆弧插补算法，实现多轴协调运动多轴同步控制六个关节轴同时运动，保持末端执行器沿预定轨迹精确移动精密定位控制位置精度达到±

0.02mm，重复定位精度±

0.01mmCNC加工中心的机械臂采用高性能运动控制卡实现六轴联动控制控制卡接收CAD/CAM软件生成的G代码，解析出刀具路径并转换为各轴的运动指令通过实时插补计算，确保刀具按照设定速度和加速度沿复杂曲面运动伺服驱动器根据位置指令精确控制各轴电机，配合高精度编码器反馈，实现微米级的加工精度系统还具备碰撞检测、急停保护等安全功能网络化控制系统应用无线通信网络云端数据处理移动终端监控采用WiFi、ZigBee、LoRa等所有设备数据通过网关上管理人员可通过手机APP无线通信技术连接分布在传至云平台进行集中处理或平板电脑远程监控楼宇建筑各处的传感器和执行和存储云端运行智能分运行状态，随时随地调整器网络具备自组织、自析算法，根据历史数据和控制参数系统支持报警愈能力，节点故障时自动实时状态优化控制策略，推送、设备故障通知等功重新路由，确保通信可靠提供预测性维护建议能，实现真正的远程运性维网络安全防护采用数据加密、身份认证、访问控制等多层安全防护措施防火墙隔离内外网，VPN技术保证远程访问安全，定期更新安全补丁防范网络攻击威胁空调中央控制系统±℃

0.5温度控制精度各区域温度控制精度达到±

0.5℃，湿度控制精度±3%RH30%节能效果相比传统控制方式，智能控制系统节能效果达到30%以上500监控点数系统可同时监控500个温湿度测点和300个设备运行状态24/7全天候运行系统24小时不间断运行，自动适应不同时段的负荷变化大型商业建筑采用分区温湿度控制策略，根据不同区域的使用功能和人员密度设定不同的环境参数系统通过VAV（变风量）末端和冷热水阀门精确调节各区域的送风量和水流量智能算法根据室外气象条件、室内负荷变化和电价峰谷差自动优化主机运行参数，在保证舒适度的前提下最大限度降低能耗夜间和节假日自动切换到节能模式，显著降低运行成本智能照明控制案例多传感器检测教室安装人体红外传感器、光照度传感器和声音传感器红外传感器检测人员进出，光照度传感器测量自然光强度，声音传感器判断教学活动状态自适应调光控制系统根据自然光照度自动调节LED灯具亮度，保持桌面照度恒定在500lux上课期间全亮度照明，课间适当降低亮度，无人时自动关闭或保持最低照度时间程序控制系统按照课表自动执行照明时间程序早晨7点预开启，晚上10点后逐步关闭考试期间延长照明时间，假期切换到值班模式，实现精细化管理能耗监测分析系统实时监测各回路用电量，生成能耗报表和节能分析相比传统照明，智能照明系统节电率达到60%，年节约电费15万元，投资回收期不到3年智慧交通信号控制实例交通流量检测智能决策算法路口安装高清摄像头和地磁传感器，实控制系统运行模糊控制算法，综合考虑时检测各方向车流量、车队长度和车辆当前流量、历史数据和相邻路口状态，通过速度AI视觉算法识别车辆类型，动态优化信号配时方案高峰期延长主区分小客车、公交车、货车等不同车干道绿灯时间，低峰期缩短周期时间型效果评估反馈信号协调控制系统统计平均等待时间、通行能力、排多个路口信号灯联网协调，形成绿波带队长度等指标，评估控制效果高峰期减少车辆停车次数公交车安装信号优通行效率提升25%，平均延误时间减少先设备，接近路口时申请绿灯优先通30%，有效缓解了城市交通拥堵行，提高公共交通效率电梯群控系统呼叫信号采集大厦内24部电梯通过群控系统统一调度管理乘客按下楼层按钮后，系统收集所有呼叫信号，包括轿厢内目标楼层和候梯厅的上下行需求实时监测各电梯位置、运行方向和载重状态最优分配算法群控算法综合考虑等待时间、能耗、磨损均衡等多个目标，为每个呼叫分配最合适的电梯采用遗传算法和模糊逻辑相结合的智能调度策略，动态优化电梯运行路径客流模式识别系统识别不同时段的客流模式上班高峰期主要是底层上行，下班高峰期主要是高层下行，平峰期分散服务根据历史数据预测客流趋势，提前调整电梯分布位置服务质量提升群控系统将平均等待时间从原来的45秒缩短至25秒，运行效率提升40%高峰期客流疏散能力增强，乘客满意度显著提高系统还具备故障电梯自动隔离功能智能家居控制案例语音控制集成安防联动控制智能音箱作为家居控制中枢，通过自然语言处理技术理解用户指门窗传感器、摄像头、烟雾报警器等安防设备与智能家居系统深令用户可以通过语音控制灯光开关、空调温度、窗帘开合等设度融合当检测到非法入侵时，系统自动开启全屋灯光、启动录备系统支持方言识别和多用户声纹识别，个性化响应不同家庭像、发送报警信息给户主手机，同时关闭煤气阀门等危险设备成员的需求深度学习算法不断优化语音识别准确率，在嘈杂环境下识别率仍外出模式下自动布防，回家时通过手机APP或指纹识别自动撤可达到95%以上支持连续对话和上下文理解，实现更自然的人防系统具备学习功能，根据家庭作息规律自动调整安防策略，机交互体验误报率降低80%太阳能光伏发电控制光照跟踪双轴跟踪系统自动调整太阳能板角度控制MPPT最大功率点跟踪算法优化发电效率逆变并网直流电转换为交流电并入电网储能管理智能充放电控制延长电池寿命大型光伏电站采用分布式MPPT控制器实现最大功率点跟踪扰动观察法和增量电导法相结合，在光照条件变化时快速找到新的最大功率点发电效率比固定安装提高25%，年发电量增加400万度并网逆变器具备低电压穿越能力，保证电网稳定性储能系统平抑功率波动，实现24小时连续供电。