电子控制技术

技术选考笔记，对应通用技术选修《电子控制技术》，按章整理。

电子控制概述

电子控制技术与电子控制系统

电子控制技术（Electronic Control Technology）指运用电子技术，对生产和生活中的对象进行自动控制的技术。它以电信号为工作媒介，把被控对象的状态转换成电信号，经处理后驱动执行部件动作。

• 电子控制系统（Electronic Control System）：由电子元器件和电路组成、能完成特定控制功能的整体；
• 系统处理的是 电信号，速度快、易于放大与传输，便于与计算机结合；
• 与机械控制、气动控制相比，电子控制精度高、响应快、易于实现自动化。

电子控制系统的组成和工作过程

电子控制系统一般由三部分组成，对应信号的输入、处理和输出。

组成	功能	典型器件
信息的获取与转换	采集被控量，转换成电信号	各类传感器
信号处理	对信号放大、运算、判断决策	放大电路、逻辑电路、单片机
执行部分	把电信号转换成动作或其他能量	电动机、继电器、电磁铁

工作过程是信号在三部分之间依次传递的过程。

• 传感器把温度、光照、位置等 非电量 转换成电信号；
• 信号处理是系统的核心，决定「在什么条件下做什么」；
• 执行部件把处理结果变为实际动作，作用回被控对象。

开环电子控制系统和闭环电子控制系统

按有无反馈，电子控制系统分为开环和闭环两类。

• 开环控制（Open-loop Control）：信号单向流动，输出不返回影响输入，系统不检测控制结果；
• 闭环控制（Closed-loop Control）：把输出量检测后 反馈 到输入端，与给定量 比较，用偏差修正控制，使输出趋近目标。

	开环控制	闭环控制
反馈	无	有
抗干扰	弱	强
结构	简单	复杂
精度	低	高
典型例子	定时洗衣、普通路灯	恒温电熨斗、空调控温

闭环系统的关键在于 反馈（Feedback）与 比较：反馈环节检测输出并送回输入端，比较环节求出给定量与反馈量之差，即 偏差。

• 开环系统按预定程序工作，一旦受干扰无法自行纠正；
• 闭环系统靠偏差调节，能自动补偿干扰，但可能因反馈不当产生振荡；
• 判断开环还是闭环，关键看 输出量是否被检测并送回输入端参与控制。

电子控制系统信息的获取与转换

辨识常用传感器

传感器（Sensor）是把被测的物理量、化学量转换成便于处理的电信号的器件，是电子控制系统的「感官」。它一般由 敏感元件 和 转换元件 组成。

常用传感器按被测量分类如下。

类型	被测量	典型器件与特性
光敏传感器	光照强度	光敏电阻，光照越强阻值越小
热敏传感器	温度	热敏电阻，分正温度系数和负温度系数
力敏传感器	力、压力	应变片、压力传感器
磁敏传感器	磁场	霍尔元件，输出与磁感应强度相关
气敏传感器	气体浓度	气敏电阻，检测烟雾、可燃气
湿敏传感器	湿度	湿敏电阻、湿敏电容

• 敏感元件 直接感受被测量，转换元件 把它变成电信号；
• 衡量传感器的主要指标有 灵敏度、量程、精度 和 响应时间；
• 热敏电阻中，负温度系数（NTC）随温度升高阻值减小，正温度系数（PTC）反之。

传感器的应用

传感器常与电阻串联组成 分压电路，把阻值变化转换成电压变化，供后级处理。

• 光控：光敏电阻与定值电阻串联，光照变化引起分压点电压变化，可做光控路灯、自动窗帘；
• 温控：热敏电阻感温，配合比较电路控制加热或制冷，如恒温箱、电子体温计；
• 报警：气敏、烟雾传感器检测到浓度超标时输出信号，触发声光报警。

以光敏电阻的分压为例，光照增强时其阻值 $R$ 减小，若与定值电阻 $R_0$ 串联接在电压 $U$ 上，光敏电阻两端电压为

$$U_R=\frac{R}{R+R_0}U$$

阻值 $R$ 随光照下降，分压 $U_R$ 随之下降，据此可判断光照的强弱。

电子控制系统的信号处理

模拟信号与数字信号

系统处理的信号分为两类。

• 模拟信号（Analog Signal）：时间和幅值都 连续 的信号，如温度、声音对应的电压；
• 数字信号（Digital Signal）：取值 离散、通常只有高低两种电平的信号，用 0 和 1 表示。

	模拟信号	数字信号
取值	连续	离散
抗干扰性	弱	强
处理	模拟电路	数字电路
例子	话筒输出电压	开关状态、脉冲

模拟量与数字量之间通过 模数转换（A/D）和 数模转换（D/A）互相转换。计算机内部处理的是数字信号，故传感器采集的模拟量常需先经 A/D 转换。

初识模拟电路

模拟电路处理连续信号，核心是对信号的 放大。常用元器件如下。

元件	符号意义	主要特性
电阻器	限流、分压	阻值 $R$，单位欧姆（Ω）
电容器	隔直、滤波、储能	容量 $C$，通交流阻直流
二极管	单向导电性	正向导通、反向截止
三极管	电流放大、开关	用小电流控制大电流

二极管（Diode）由 PN 结构成，具有 单向导电性：正向偏置时导通，反向偏置时截止，常用于整流、检波和保护。

三极管（Transistor）有基极 b、集电极 c、发射极 e 三个电极，分 NPN 和 PNP 两种。在放大电路中，基极小电流 $I_b$ 控制集电极大电流 $I_c$，二者近似满足

$$I_c=\beta I_b$$

其中 $\beta$ 为电流放大系数。三极管有三种工作状态。

状态	条件	等效
截止	发射结反偏或零偏	开关断开
放大	发射结正偏、集电结反偏	线性放大
饱和	发射结、集电结均正偏	开关闭合

• 做 放大 用时，让三极管工作在放大区；
• 做 开关 用时，让三极管在截止与饱和之间切换，这是数字电路的基础。

走进数字电路

数字电路处理数字信号，基本单元是 逻辑门（Logic Gate）。三种基本逻辑门及其真值表如下。

与门（AND）：输入全为 1，输出才为 1，逻辑式 $Y=A\cdot B$。

$A$	$B$	$Y$
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

或门（OR）：输入有一个为 1，输出即为 1，逻辑式 $Y=A+B$。

$A$	$B$	$Y$
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

非门（NOT）：输出与输入相反，逻辑式 $Y=\bar{A}$。

$A$	$Y$
0	1
1	0

• 与、或、非是数字逻辑的基本运算，可组合出更复杂的功能；
• 逻辑「1」「0」对应电路的 高电平 和 低电平；
• 三极管的截止对应输出高电平、饱和对应输出低电平，是实现逻辑门的物理基础。

数字电路的仿真实验与应用

设计数字电路时，先用 仿真软件 在计算机上搭建电路、验证逻辑，再制作实物，可减少反复与损耗。

• 仿真能直观显示各点电平和逻辑关系，便于查错；
• 组合多个逻辑门可实现判断、计数、译码等功能，如楼道声光控开关、简易报警器；
• 仿真通过后再焊接、调试，遵循「先仿真、后实物」的原则。

电子控制系统的执行部分

执行部件

执行部件（Actuator）位于系统末端，把电信号转换成机械动作或其他形式的能量，直接作用于被控对象。

执行部件	能量转换	应用
电动机	电能转机械能	驱动转动、行走
电磁铁	电能转磁力	吸放、牵引
发光二极管	电能转光能	指示、显示
扬声器	电能转声能	发声、提示
电加热器	电能转热能	加热、控温

执行部件往往需要较大的电流或电压，而信号处理电路输出的信号较弱，二者之间常用 继电器 衔接。

继电器的作用和类型

继电器（Relay）是用小电流控制大电流的自动开关，能在两个电路之间传递控制并实现 电气隔离。

• 控制作用：用弱电控制强电，用低压电路控制高压电路；
• 隔离作用：控制电路与被控电路彼此独立，互不干扰、保障安全；
• 转换与放大：把小信号转换为触点的通断，间接放大控制能力。

按工作原理，继电器分为电磁继电器、固态继电器、时间继电器等，其中 直流电磁继电器 最为常见。

直流电磁继电器的构造、规格和工作原理

直流电磁继电器由电磁系统和触点系统两部分构成。

• 电磁系统：线圈、铁芯、衔铁、复位弹簧；
• 触点系统：动触点与静触点，分 常开触点（NO）、常闭触点（NC）和 公共端（COM）。

工作原理：线圈通电后铁芯被磁化，产生磁力吸合衔铁，带动动触点动作——常开触点闭合、常闭触点断开；线圈断电后磁力消失，弹簧使衔铁复位，触点恢复原状。

主要 规格参数 如下。

参数	含义
额定工作电压	线圈正常工作所需的电压
吸合电压	使衔铁可靠吸合的最小线圈电压
释放电压	使衔铁可靠释放的最大线圈电压
触点容量	触点能通过的最大电压和电流

• 选用继电器时，线圈参数要与控制电路匹配，触点容量要满足被控电路；
• 因线圈是感性元件，断电瞬间会产生反向电动势，常在线圈两端反并联一只 续流二极管 保护电路；
• 常开、常闭触点的区分是接线的关键：线圈未通电时断开的是常开，闭合的是常闭。

电子控制系统的设计及其应用

简单功能电路的安装与调试

把设计好的电路变为实物，一般按以下步骤进行。

• 识读电路图：看懂元件符号、连接关系和参数；
• 清点元器件：用万用表检测元件好坏，核对规格；
• 布局与焊接：合理排布、连线短而清晰，焊点做到光亮、饱满、无虚焊；
• 检查电路：对照电路图核查连线，防止短路、接错；
• 通电调试：先测静态、再测功能，逐步排查故障。

万用表 是安装调试的基本工具，可测电阻、电压、电流，判断通断和元件好坏；焊接时注意电烙铁温度和时间，避免烫伤元件或造成虚焊。

开环电子控制系统的设计和应用

开环系统结构简单，适用于对精度要求不高、干扰较小的场合。设计流程如下。

• 明确控制要求，画出系统方框图；
• 选择合适的传感器、信号处理方式和执行部件；
• 设计并连接电路，安装后通电调试。

例如 定时控制：按预定时间接通或断开电路，如定时开关、简易抢答器的计时。系统按程序动作，不检测执行结果，故为开环。

闭环电子控制系统的设计和应用

当要求控制量稳定、抗干扰能力强时，采用闭环系统，在开环的基础上增加 反馈 环节。

• 检测输出量并反馈到输入端，与给定量比较得到偏差；
• 控制器根据偏差调节执行部件，使输出趋近目标；
• 反馈使系统能自动补偿干扰，但需防止调节过度引起振荡。

例如 光控路灯：光敏传感器检测环境光照，天暗到设定值时自动亮灯、天亮时熄灭，光照的变化通过传感器反馈参与控制，构成闭环。又如 恒温控制：温度传感器实时监测温度，低于设定值时加热、高于设定值时停止，使温度稳定在目标附近。