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自動控制入門

自動控制介紹

為什麼要自動控制

自動控制是希望能經由程式的處理和計算，以進行動作的控制。例如電梯需要偵測是否到達固定的位置、是否有人正在經過來確保電梯的安全、冷氣機需要偵測溫度後來控制冷氣的強弱、汽車需要偵測到油門、煞車等各項動作後，經過程式的計算來控制汽車行駛的動作，而飛機更需要經過程式的高速處理來控制飛行的動作。

甚麼是自動控制

自動控制是指在接收到各種偵測信號的輸入後，能以程式來進行計算和判斷，處理需要的控制動作，再轉換成為適當的輸出信號去控制各式各樣的電機，以達成自動控制希望達成的目的。

自動控制的基本架構

能夠讓程式進行運作的硬體，這樣的硬體通常被稱為CPU，在CPU的外圍再加上一些輸入輸出信號的處理硬體，稱之為MPU或是MCU。子動控制通常是以MPU/MC為程式運算核心，再加上各種輸入輸出單元，搭配適合處理各種電子信號的電子電路所組成。

電的介紹

電是什麼

電是靜止或移動的電荷所產生的物理現象。

物質是由叫做"原子"和"分子"的小顆粒組合而成的，而將原子和原子結合在一起的，是一種叫做"電子"的更小的東西。

如圖所示，在原子的周圍，有一些電子不停地環繞著，就像環繞地球旋轉的月亮一樣，一旦原子與原子排列起來形成分子，電子就會像在花叢中飛舞的蜜蜂一樣運動起來。

電到底是什麼？

在電子中，有些只在分子周圍不停地旋轉，有些則可以自由飛舞。如圖所示，在水等物質中，因為有很多分子，所以並不是全都合而為一的。因此，水會根據容器的形狀來改變自己的外形。而在金屬中，由於分子全部都更堅固地結合在一起，因此質地堅硬。而電子可以在其中自由地飛舞，這就叫做"自由電子"。這種自由電子，通常會朝各個方向運動，一旦它能朝確定的方向流動，便構成了電。如果有人問你"電是什麼東西呢？"，你可以回答"電是在金屬線中遊蕩的電子這種小粒子的流動"。

在一群原子中移動的電子

自然界中也會產生這種流動。比如冬天或乾燥氣候時想要開門，會發出劈裏啪啦的聲音嚇人一跳。這叫"靜電"，也是屬於電的一種。不過，這只是在物體局部上發生的極短時間的現象，所以很難用來讓電燈發光。

我們通常使用的電，不是靜電，而是運動的電。也就是說，如果不是按固定的方向、以接近穩定的強度流動的電，都無法使用。而發電就是要能夠產生出這種運動的電來。

許多電子在依導體內移動形成電流

電燈泡電路

電的單位

電壓

電荷上攜帶的能量，單位為伏特(V)。

電流

是指單位時間內通過導線某一截面的電荷，每秒通過1庫侖的電荷量稱為1安培(A)。

二進位數位邏輯介紹

最早的二進位系統-電報機

摩斯密碼

摩斯密碼是世界上最重要的密碼技術之一，1843年美國發明者山繆摩斯建立了這一套摩斯密碼的系統。摩斯密碼是由"."(短音)與"-"(長音)所組成的，它是在電話尚未被發明之前，用於長距離的電報電訊技術。因為摩斯密碼的簡易使用，人們在戰爭時期或是突發狀況中會使用到它，而摩斯密碼的傳訊可以有許多的變化，它可以利用聲音或是閃光燈的長短來分別表示"."與"-"。摩斯密碼表如下圖所示。

基本邏輯構成的要素-位元(Bit)

數位信號是由0(高電位)與1(高電位)表式的信號方式，基本單位為位元。每個位元表示一個0或1的信號。

示波器顯示的數位信號

由8個位元組成二進位數位資料-Byte

數位系統

數位計算機系統介紹

基本控制方式介紹

數位控制(DI/DO控制(Digital Input/Digital Output))

一個位元(Bit)的控制，用來接收/控制開/關的動作。

類比控制(AD/DA控制(Analog Input/ Analog Output))

類比信號的接收或控制

脈衝寬度調變控制(PWM(Pulse Width Modulation)控制)

利用數位信號的時間差的控制，大多使用於控制伺服轉向機控制轉動角度等控制。

脈衝控制(Pulse控制)

利用傳送的數位信號數量的接收/控制，大多應用於需要使馬達到達精密位置的控制。

通訊控制

利用一組特殊的碼來接收/控制。

PC-PC乙太網路通訊

單晶片RS232通訊

PC-單晶片RS232通訊

經常使用的通訊:

1.Ethernet乙太網路

2.PCI Bus並列通訊

3.SCSI傳列通訊

4.RS232串列通訊

5.RS485串列通訊

6.USB串列通訊

7.I2C串列通訊

8.SPI串列通訊

自動控制系統介紹

常用的自動控制方式

電腦控制(PC控制架構)

單晶片控制(MPU/MCU控制架構)

可程式化邏輯控制器(PLC控制架構)

PC控制架構

PC具有強大的運算能力，同時具備有最豐富的各種開發的資源及工具，因此PC常被使用來進行需要龐大資料計算能力，或是需要整合多種功能，如高精密的定位控制、資料庫、複雜的使用者操作介面、使用機器視覺等的自動控制。

下面是一個常用的PC自動控制架構：

觸控螢幕線性測試機

程式執行畫面

使用Borland C++ Builder製作執行程式畫面

使用Borland C++ Builder製作執行程式

MPU/MCU控制架構

MPU(Micro Processor Unit)/MCU(Micro Controller Unit)一般被稱為微處理器、微控制器或是單晶片，是被設計專門用來進行各種自動控制使用的，由於其非常低廉的成本，經常被製作成為專門針對特定應用的功能控制，例如家電用品、玩具等的控制，如冷氣機、洗衣機、遙控飛機、遙控車等，也常被應用在在嚴苛環境中使用的設備，如太空船、飛機、船舶、軍事武器系統等。

以MPU製作的各種控制器充滿在現今人類的生活當中，是最普遍被使用的自動控制方式。