工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)點(diǎn)歸納與練習(xí)題工業(yè)自動(dòng)化，作為現(xiàn)代工業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)力，正以前所未有的速度重塑著生產(chǎn)模式與產(chǎn)業(yè)格局。對(duì)于從業(yè)者而言，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)，洞悉技術(shù)脈絡(luò)，是持續(xù)成長(zhǎng)的關(guān)鍵。本文旨在梳理工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)的核心知識(shí)點(diǎn)，并輔以針對(duì)性練習(xí)，以期為各位同仁提供一份實(shí)用的學(xué)習(xí)參考。一、控制理論基礎(chǔ)控制理論是工業(yè)自動(dòng)化的靈魂，它為理解和設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的理論框架。1.自動(dòng)控制的基本概念：明確被控對(duì)象、被控量、給定值、干擾量等基本術(shù)語(yǔ)。理解開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別及其各自的應(yīng)用場(chǎng)景。閉環(huán)控制中，反饋的引入是核心，它使得系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際輸出與期望輸出的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.數(shù)學(xué)模型：掌握建立簡(jiǎn)單物理系統(tǒng)（如RC電路、彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)）的微分方程模型的方法。理解傳遞函數(shù)的定義、性質(zhì)及其在復(fù)頻域分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的便利性。熟悉典型環(huán)節(jié)（比例、積分、微分、慣性、振蕩環(huán)節(jié)）的傳遞函數(shù)和階躍響應(yīng)特征。3.時(shí)域分析：重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量，以及靜態(tài)性能指標(biāo)如穩(wěn)態(tài)誤差。理解一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及其性能參數(shù)的計(jì)算。4.頻域分析：了解頻率特性的基本概念，包括幅頻特性和相頻特性。掌握Nyquist穩(wěn)定判據(jù)和Bode圖的繪制與分析方法，能夠利用Bode圖分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、相位裕度和幅值裕度。5.控制系統(tǒng)的校正：理解校正的目的是改善系統(tǒng)性能。掌握常用校正裝置（如比例-積分PI、比例-微分PD、比例-積分-微分PID）的結(jié)構(gòu)、作用及其參數(shù)整定方法（如經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法）。二、傳感器與檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確獲取信息是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的前提，傳感器與檢測(cè)技術(shù)便是信息獲取的關(guān)鍵。1.傳感器基本特性：理解傳感器的靜態(tài)特性（靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、量程等）和動(dòng)態(tài)特性（響應(yīng)時(shí)間、頻率特性）。這些特性直接關(guān)系到檢測(cè)結(jié)果的可靠性和精確性。2.常用傳感器原理與應(yīng)用：*溫度傳感器：了解熱電偶（基于熱電效應(yīng)）、熱電阻（基于電阻隨溫度變化）、熱敏電阻的工作原理、特點(diǎn)及選型。*壓力傳感器：掌握應(yīng)變片式壓力傳感器的工作原理（應(yīng)變效應(yīng)），了解電容式、壓電式壓力傳感器的特點(diǎn)。*物位傳感器：了解超聲波物位計(jì)、電容式物位計(jì)、浮球式物位計(jì)的基本原理和應(yīng)用場(chǎng)合。*流量傳感器：理解差壓式流量計(jì)（如孔板）、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)的測(cè)量原理和適用條件。*位移與接近傳感器：掌握電感式、電容式接近傳感器，光電式傳感器（漫反射、對(duì)射、鏡面反射）的工作原理及應(yīng)用。了解編碼器（增量式、絕對(duì)式）在角位移和直線位移測(cè)量中的應(yīng)用。3.信號(hào)調(diào)理電路：由于傳感器輸出信號(hào)通常微弱且可能含有噪聲，需要進(jìn)行調(diào)理。掌握電橋電路（用于電阻、電容、電感式傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換）、放大電路（如運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例放大、差動(dòng)放大）、濾波電路（RC濾波、有源濾波）、A/D與D/A轉(zhuǎn)換的基本概念。三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化系統(tǒng)的“手腳”，負(fù)責(zé)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或其他形式的能量，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。1.電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：*步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：理解其工作原理（基于電磁鐵吸合與釋放的順序控制）、步距角概念，掌握其開(kāi)環(huán)控制特點(diǎn)及應(yīng)用。*伺服電動(dòng)機(jī)：了解直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理，重點(diǎn)理解其調(diào)速性能、位置控制精度及閉環(huán)控制特性。*電磁閥：掌握其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，常用于氣路、液路的通斷控制。2.氣動(dòng)與液壓執(zhí)行元件：了解氣缸、氣馬達(dá)、液壓缸、液壓馬達(dá)的基本工作原理和特點(diǎn)。氣動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)；液壓系統(tǒng)則能提供更大的力和力矩，調(diào)速范圍寬。理解氣源處理單元（過(guò)濾器、減壓閥、油霧器）的作用。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇與特性匹配：根據(jù)被控對(duì)象的負(fù)載特性、速度要求、精度要求、工作環(huán)境等因素，合理選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型和規(guī)格，確保其與控制系統(tǒng)良好匹配。四、工業(yè)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，工業(yè)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在自動(dòng)化系統(tǒng)中的作用日益凸顯。1.可編程邏輯控制器（PLC）：*基本組成與工作原理：理解PLC的硬件組成（CPU、存儲(chǔ)器、I/O模塊、電源等）和“循環(huán)掃描”的工作方式。*編程語(yǔ)言：掌握梯形圖（LD）和語(yǔ)句表（STL）的基本編程規(guī)則和常用指令（如觸點(diǎn)、線圈、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、比較指令、數(shù)據(jù)傳送指令等）。了解順序控制設(shè)計(jì)法（SCR）在復(fù)雜順序控制中的應(yīng)用。*PLC的應(yīng)用：熟悉PLC在邏輯控制、順序控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制等方面的典型應(yīng)用。2.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）與嵌入式系統(tǒng)：了解IPC的特點(diǎn)（可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好）及其在過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中的應(yīng)用。了解嵌入式系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)及其在小型化、低成本自動(dòng)化設(shè)備中的優(yōu)勢(shì)。3.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：理解數(shù)據(jù)通信的基本概念（波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、協(xié)議）。了解常用工業(yè)總線（如PROFIBUS、Modbus、CAN總線）和工業(yè)以太網(wǎng)（如EtherNet/IP、PROFINET、ModbusTCP/IP）的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景及各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。理解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型）。五、工業(yè)控制工程與系統(tǒng)集成將前述各部分知識(shí)綜合應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制與管理。1.典型工業(yè)控制策略：*邏輯控制：基于布爾代數(shù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的順序或條件控制，是PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域。*過(guò)程控制：針對(duì)連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、液位等，采用PID等控制算法進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。了解串級(jí)控制、前饋控制、比值控制、均勻控制等復(fù)雜控制策略的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。*運(yùn)動(dòng)控制：涉及對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度、加速度的精確控制，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人。2.SCADA與DCS系統(tǒng)：了解監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）的構(gòu)成（遠(yuǎn)程終端單元RTU、主站、通信網(wǎng)絡(luò)）及其在廣域分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用。理解分布式控制系統(tǒng)（DCS）的基本思想（分散控制、集中管理）、體系結(jié)構(gòu)（現(xiàn)場(chǎng)控制站、操作員站、工程師站、通信網(wǎng)絡(luò)）及其在流程工業(yè)中的核心地位。3.工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)：了解工業(yè)機(jī)器人的基本組成（機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)）、坐標(biāo)系（關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系）及示教編程的基本概念。4.系統(tǒng)集成與工程設(shè)計(jì)：理解自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟，包括需求分析、方案設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件編程、系統(tǒng)安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等。強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維護(hù)性設(shè)計(jì)。練習(xí)題一、選擇題(單選或多選)1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，反饋信號(hào)的作用是：A.提高系統(tǒng)增益B.減小干擾影響C.減小穩(wěn)態(tài)誤差D.加快響應(yīng)速度2.某二階系統(tǒng)的阻尼比為0.5，其單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量大致為：A.16%B.30%C.4.3%D.0%3.下列哪種傳感器不屬于基于電磁感應(yīng)原理工作的？A.熱電偶B.感應(yīng)同步器C.電渦流傳感器D.交流測(cè)速發(fā)電機(jī)4.PLC的工作方式是：A.中斷處理方式B.循環(huán)掃描工作方式C.實(shí)時(shí)處理方式D.多任務(wù)并行處理方式5.在PID控制器中，積分環(huán)節(jié)的主要作用是：A.加快響應(yīng)B.消除穩(wěn)態(tài)誤差C.減小超調(diào)D.提高穩(wěn)定性二、簡(jiǎn)答題1.試比較開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)，并各舉一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子。2.什么是傳感器的靈敏度？如果一個(gè)溫度傳感器在0-100℃范圍內(nèi)輸出4-20mA電流信號(hào)，其靈敏度是多少？3.簡(jiǎn)述PLC梯形圖編程中，“能流”的概念及其在編程邏輯理解中的作用。4.什么是PID控制器的參數(shù)整定？常用的參數(shù)整定方法有哪些（至少列舉兩種）？5.簡(jiǎn)述DCS系統(tǒng)中“分散控制，集中管理”的含義及其優(yōu)點(diǎn)。三、分析與應(yīng)用題1.一個(gè)簡(jiǎn)單的液位控制系統(tǒng)，采用浮球式液位傳感器檢測(cè)液位，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)水量，以保持液位恒定。請(qǐng)畫(huà)出該系統(tǒng)的原理框圖，指出被控對(duì)象、被控量、給定值、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)元件。2.已知某系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/[s(s+1)(s+2)]，試用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍。（提示：可簡(jiǎn)化分析，或說(shuō)明分析步驟）參考答案與思路提示一、選擇題1.B,C(反饋的核心是利用偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而減小干擾影響和穩(wěn)態(tài)誤差；A項(xiàng)系統(tǒng)增益不一定提高，D項(xiàng)響應(yīng)速度可能因穩(wěn)定性要求而需要折中)2.A(阻尼比ζ=0.5時(shí)，超調(diào)量σ%≈16.3%)3.A(熱電偶基于熱電效應(yīng)；B、C、D均與電磁感應(yīng)相關(guān))4.B5.B二、簡(jiǎn)答題1.參考答案：開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快、無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題。缺點(diǎn)：控制精度不高，抗干擾能力差。例子：洗衣機(jī)的定時(shí)控制、交通信號(hào)燈控制。閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能產(chǎn)生不穩(wěn)定。例子：恒溫箱溫度控制、自動(dòng)水位控制系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給控制。*思路提示：從結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比。2.參考答案：靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c引起此變化的輸入變化量之比。對(duì)于該溫度傳感器，輸入變化量為100℃-0℃=100℃，輸出變化量為20mA-4mA=16mA。靈敏度S=16mA/100℃=0.16mA/℃。*思路提示：明確定義，注意是變化量之比，并計(jì)算。3.參考答案：“能流”是梯形圖編程中為了便于理解邏輯關(guān)系而引入的假想電流。它從左母線出發(fā)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的觸點(diǎn)，流向線圈或功能指令，使線圈得電或指令執(zhí)行。能流只能從左向右流動(dòng)。它并非實(shí)際電流，而是一種邏輯“真”的傳遞。理解能流有助于分析梯形圖中各觸點(diǎn)組合對(duì)線圈狀態(tài)的控制關(guān)系。*思路提示：解釋“能流”的虛擬性和方向，以及在邏輯判斷中的作用。4.參考答案：PID控制器參數(shù)整定是指通過(guò)調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td的數(shù)值，使控制系統(tǒng)達(dá)到期望的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)（如快速響應(yīng)、無(wú)超調(diào)或小超調(diào)、無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差）。常用方法有：經(jīng)驗(yàn)湊試法（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試湊參數(shù)，觀察響應(yīng)曲線調(diào)整）、臨界比例度法（找到等幅振蕩時(shí)的比例度和周期，再按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算PID參數(shù)）、衰減曲線法（使過(guò)渡過(guò)程呈4:1或10:1衰減，記錄相關(guān)參數(shù)計(jì)算PID值）。*思路提示：點(diǎn)明整定目的，列舉常見(jiàn)方法并簡(jiǎn)要說(shuō)明。5.參考答案：“分散控制”指將控制功能分散到多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，每個(gè)控制站負(fù)責(zé)一部分簡(jiǎn)單控制任務(wù)，避免了集中控制的風(fēng)險(xiǎn)?！凹泄芾怼敝竿ㄟ^(guò)操作站、工程師站對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和優(yōu)化。優(yōu)點(diǎn)：可靠性高（某一局部故障不影響全局）、系統(tǒng)靈活性好（易于擴(kuò)展和修改）、控制質(zhì)量高（近距離控制，實(shí)時(shí)性好）、人機(jī)界面友好（便于集中監(jiān)控和管理）。*思路提示：分別解釋“分散”和“集中”的對(duì)象和含義，再闡述由此帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。三、分析與應(yīng)用題1.參考答案：*原理框圖：給定液位->比較器->控制器->電磁閥（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）->水箱（被控對(duì)象）->液位（被控量）->浮球傳感器（檢測(cè)元件）->反饋信號(hào)->比較器。*被控對(duì)象：水箱（或具體指水箱內(nèi)的液位過(guò)程）。*被控量：液位高度。*給定值：期望的液位高度。*執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電磁閥。*檢測(cè)元件：浮球式液位傳感器。*思路提示：按照閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，從給定到比較，經(jīng)控制、執(zhí)行作用于對(duì)象，再通過(guò)檢測(cè)反饋。2.參考答案：Nyquist穩(wěn)定判據(jù)步驟：1.繪制開(kāi)環(huán)Nyquist曲線G(jω)H(jω)，H(s)=1。2.確定開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中右半s平面的極點(diǎn)數(shù)P（此系統(tǒng)G(s)分母為s(s+1)(s+2)，極點(diǎn)為0,-1,-2，均在左半平面，故P=0）。3.判據(jù)：當(dāng)ω從0到∞變化時(shí)，Nyquist曲線包圍(-1,j0)點(diǎn)的圈數(shù)N。系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是N=-P=0。*分析：該系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，低頻段Nyquist曲線始于正實(shí)軸無(wú)窮遠(yuǎn)處。隨著ω增大，曲線將穿越負(fù)實(shí)軸?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算G(jω)與負(fù)實(shí)軸交點(diǎn)的幅值|G(jω)|來(lái)確定臨界K值。令I(lǐng)m[G(jω)]=0，求出穿越頻率ωc，再代入Re[G(jωc)]=-1/Kc，解得臨界增益Kc。當(dāng)0<K<Kc時(shí)，N=0，系統(tǒng)穩(wěn)定。具體計(jì)算：G(jω)=K/[jω(jω+1)(jω+2)]=K/[jω(-ω2+j3ω+2)]=K/[-3ω2+