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1、第四章控制與設計學習目標和要求：1 .積極觀察生活，能從生活中所遇到的和所觀察到的事物中識別各種受控現(xiàn)象和受控過程，理解控 制的含義。2 .能夠分析典型的案例，了解手動控制和自動控制，熟悉簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的基 本組成和簡單的工作過程。3 .通過案例分析，能畫出一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，理解其中的控制器、執(zhí)行器的作用， 熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。4 .通過案例分析，找出并分析影響簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾因素，了解功能模擬方法和黑箱方 法在控制系統(tǒng)中的應用。5 .結合一定的案例，了解簡單的被控對象的基本特性，能確定被控量、控制量，劃出控制系統(tǒng)的方 框圖，并形成初步的控制系統(tǒng)設計方

2、案。6,能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設計方法，制作一個控制裝置，或根據(jù)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方案進行模擬 實施，學會調(diào)試運行，提出改進方案。(導入)：我國古代有一種靠風力來推動的風磨，當風力強的時候，磨盤就轉(zhuǎn)得快，當風力弱的時候，磨盤就轉(zhuǎn) 得慢。那么，怎樣才能根據(jù)風力的大小，往磨盤上添加谷物呢？對此，人們設計了一個漏斗：當風磨轉(zhuǎn)動 慢的時候，這個漏斗會自動地縮小漏口，使少量的谷物流進磨盤；當風磨轉(zhuǎn)動快的時候，這個漏斗會自動 地張大漏口，讓較多的谷物流進磨盤。這個巧妙的漏斗在今天看來，是一個古老的控制裝置，體現(xiàn)了人們認識并利用控制現(xiàn)象的久遠。事實 上，控制并不是人類的天外來客，它滲透在我們生產(chǎn)和生活的方方面

3、面。理解控制、善于控制，已經(jīng)成為 我們每個人日常生活中不可或缺的基本能力。一、控制及控制系統(tǒng)1控制人們根據(jù)自己意愿或目的，通過一定的手段，使事物沿著某一確定的方向發(fā)展，就形成了控制(control )。這里所說的手段就是控制 技術。如：射手通過瞄準使箭射中靶心；人們通過電冰箱獲得適當?shù)臏囟?，使食物能夠長期存放；先進的生產(chǎn)流水線通過計算機的指揮實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等。注意：理解任何控制現(xiàn)象，都要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。例如：在人力三輪車轉(zhuǎn)彎過程中的方向控制問題中，其控制的對象就是人力三輪車，控制的目的是為了改 變?nèi)嗆囆旭偟姆较?，控制的手段是騎車人通過雙手轉(zhuǎn)動車把，

4、改變前輪的方向并帶動后輪。2控制的分類：(1)從控制過程中人工干預的情形來分：人工控制、自動控制。A 人工控制：控制的過程是在人的直接干預和全程干預下進行的。如：人工紡紗、普通自來水龍頭、 掀按鈕打開電燈、拖地清潔地板、駕駛汽車等B自動控制：是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確的按照期望的方向進行。如：數(shù)控 機床、飲料自動裝罐生產(chǎn)線，花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉(zhuǎn)換、通過電視更換節(jié)目頻道、聯(lián)合收割 機割麥子等。(2)按照執(zhí)行部件的不同分為：A機械控制：普通水龍頭、電飯煲等B氣動控制：化工生產(chǎn)中常見的氣動閥門、公共汽車車門開關控制等C液壓控制：建筑工地打樁機、修理汽車用的液壓千斤頂?shù)菵

5、電子控制：電子計算器、家用電冰箱、自動門和汽車自動變速器的電子控制裝置等3控制系統(tǒng)一般的控制過程都有一個輸，入和一個輸出。任何一種控制的實現(xiàn)，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)構 成一個系統(tǒng)，我們稱之為控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通常分為開環(huán)控制系統(tǒng)( open loop control system )和閉 環(huán)控制系統(tǒng)(closed loop control system )兩種。簡單的控制系統(tǒng)由兩部分組成，即被控對象和控制裝置。其中的控制裝置,包括傳感器、控制器、執(zhí) 行器等環(huán)節(jié),對于閉環(huán)系統(tǒng)來說，還包括反饋環(huán)節(jié)與比較環(huán)節(jié)。二、開環(huán)控制1 .開環(huán)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制

6、系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系 統(tǒng)。如：十字路口的紅綠燈定時控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報警控制系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、公園的音樂噴 泉自動控制系統(tǒng)、自動門的控制系統(tǒng)、家用高壓鍋等。2 .開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖在系統(tǒng)控制中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號線來表示系統(tǒng)信號的傳 遞方向，這種圖稱為控制系統(tǒng)的方框圖，它表示了系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中的位置、功能和相互之間的關 系。輸入量一控制器執(zhí)行器!拴制埴1被控對象輸出量3 .開環(huán)控制系統(tǒng)特征:系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞。 三、閉環(huán)控制1 .含義：把系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控

7、制系統(tǒng)。如: 電冰箱的溫度控制系統(tǒng)、交通路口紅綠燈自動控制(根據(jù)車流量大小改變紅綠燈時間)系統(tǒng)等2 .閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖比較器控制.給定旬曲T控制器卜一執(zhí)行器“*被控對象卜l被控量“ 一檢測裝置上圖中，檢測裝置測量出被控量并返回到系統(tǒng)的輸入端；后是比較器，它將所給量與所檢測的被控量 進行比較，求出偏差值；控制器將這一偏差值進行運算處理，并向執(zhí)行器下達控制指令。執(zhí)行器根據(jù)指令 對被控對象進行控制，從而使被控量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。3 .閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征在系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間，還有一條從輸出量返回到輸入端的反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路，反饋環(huán)節(jié)使得輸出量的改變對控制的過程產(chǎn)生直接影響。4閉環(huán)

8、控制系統(tǒng)的干擾與反饋干擾因素和反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)中的兩個重要的核心概念，閉環(huán)控制系統(tǒng)是通過反饋環(huán)節(jié)克服干擾因素而使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的(1)干擾：在控制系統(tǒng)中，除輸入量(給定值)以外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。在干擾中我們需要注意以下幾點：第一，來源問題。有的干擾因素是由于環(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度變化的自然風等； 有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航信號的手機信號等。第二，數(shù)量問題。在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能是一個，也可能是若干個。如戰(zhàn)士在大風大雨中進行射 擊練習，風和雨都是子彈命中準確度的干擾因素。第三，處理問題?？刂葡到y(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。如空調(diào)器的溫度

9、控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時， 空調(diào)器檢測出干擾引起的室內(nèi)溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。第四，利用問題。在一般控制系統(tǒng)中， 干擾因素是需要克服的。 而在有些情況下卻可以利用干擾因素實現(xiàn) 某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統(tǒng)進行干擾，使之不能正常工作。但在生產(chǎn)生活中，我們需要以謹慎、嚴謹?shù)膽B(tài)度對待干擾因素的利用。(2)反饋：A定義：在控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當?shù)臋z測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程，就 是反饋。B反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調(diào)整系統(tǒng)的行為

10、，使系統(tǒng)沿著預期 的目標運行的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關閉電源，而自動電水壺 具有當水沸騰時自動切斷電源的功能，這就是利用反饋方法實現(xiàn)自動控制的結果。四、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較1 .開環(huán)控制系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞的，它對輸出量的控制精度較低，但它具有 結構簡單、成本低、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。2 .閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間還有一個反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路。它對輸出量 的控制精度較高，但它結構復雜、成本高，主要用在要求較高精度和高可靠性的控制中。五、簡單控制系統(tǒng)的設計與實施1 .控制系統(tǒng)設計的一般思路要設計好一個控制系統(tǒng)，應該明

11、確這個系統(tǒng)要到達的目的是什么，所要控制的對象是什么，被控 對象有哪些重要的特性，被控量和控制量分別是什么，外界的主要干擾因素有哪些，選擇怎樣的設計方案 既能達到目的，又經(jīng)濟、易于實現(xiàn)，如何選擇設備和元件等等。設計一個控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應根據(jù)對控制精度的要求以及經(jīng)濟條件的可 行性而定。在控制系統(tǒng)設計過程中，被控對象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入 與輸出之間的關系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式；一個控制系統(tǒng)中可能存在若干個干 擾因素，需要分析主次，找出對系統(tǒng)影響最大的干擾因素；被控量和控制量的確定是控制方案的關鍵，對 于簡單控制系統(tǒng)，需要控制

12、的量往往被確定為被控量，控制量應選擇可控制的、對抑制干擾因素和保持系 統(tǒng)穩(wěn)定有明顯作用的量；執(zhí)行器、檢測器的選擇一是要根據(jù)被控量和控制量的需求，二是要根據(jù)控制的條 件進行?？傊苓_到控制的目的， 采用易于實現(xiàn)的控制方式，降低控制成本，減少對環(huán)境的負面影響等，是我們進行控制系統(tǒng)設計必須考慮的基本問題?？刂葡到y(tǒng)的設計方案，還包括畫出必要的設計圖紙（控制電路設計或系統(tǒng)結構設計）和實施圖紙、 撰寫設計說明書等。注意：根據(jù)不同的設計需求，應該有對應的設計目標，要借鑒來自各方面的先進經(jīng)驗，同時要有自己 的設計創(chuàng)意。例：電熱毯設計，應有若干層發(fā)熱絨和包覆層，控制器要實現(xiàn)調(diào)溫、定時、過熱熔斷保護、過熱控制

13、保護和精確溫控等。要保證安全措施到位、工作穩(wěn)定可靠，在此基礎上.實現(xiàn)減少成本、舒適美觀、降低能耗等指標。2 .簡單設計案例開環(huán)控制系統(tǒng)設計：整個過程設計相對比較簡單，在明確設計要求，明確被控對象、被控量和控 制量后，即可考慮具體控制系統(tǒng)的方案。例：電吹風機控制系統(tǒng)的設計：a設計分析：被控對象是電吹風裝置， 被控量是風的速 度和溫度，控制量是電機的電壓， 干擾因素是 房間溫度、電源電壓的波動等。b電吹風的控制過程：電吹風是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。c框圖:設定電吹風的擋位（輸人）一電機,電熱絲風的鬻溫度有了框圖，畫出必 要的電器線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調(diào)

14、試。閉環(huán)控制系統(tǒng)設計：第一，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)要正常工作，首先必須是穩(wěn)定的。第二，控制系統(tǒng)的控制精度必須符合要求，即系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內(nèi)。第三，閉環(huán)控制系統(tǒng)應有較好的抗干擾性能。例：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)設計：a設計分析：被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水 流量（進水量）水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。b控制過程：撥動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指 定水位時，進水閥關閉。c框圖：給定水位水位8六、本章練習題目1 .下列控制系統(tǒng)中，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)的是（A電冰.箱的溫度控制B.計

15、算機的CPU上的風扇的轉(zhuǎn)速控制C.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室的溫度控制D.紅綠燈定時控制系統(tǒng)2 .下列不屬于開環(huán)控制系統(tǒng)的是（）自動烘干機D .電飯鍋溫控系統(tǒng)）.普通自來水龍頭.汽車駕駛A自動門 B .電動聲控燈C3,下列控制系統(tǒng)中屬于自動控制系統(tǒng)的是（A按鈕開關控制BC.花房恒溫度控制D4 .理解一個控制現(xiàn)象，要明確控制的對象是什么，控制要達到什么目的和采取什么控制手段。例如， 導彈控制系統(tǒng)控制的是導彈與目標之間的距離，目的是要擊中目標（距離為零），分析這個控制系統(tǒng)，其控制的對象是（）A人 B .目標 C .計算機 D .導彈5 .電冰箱工作溫度設定在一定的范圍值，當箱內(nèi)溫度變化超過設定的范圍值時，熱敏

16、電阻的阻值也 相應地變化，通過熱敏電阻的變化，電流經(jīng)過三極管放大器的放大，帶動繼電器，控制壓縮的啟 動，實現(xiàn)電冰箱的溫度控制。溫度的變化量是（）A輸入量B .輸出量C.控制量6 .在電冰箱的溫度控制系統(tǒng)中，下列情況不屬于影響其溫度控制的干擾因素的是（）A.開電冰箱門B.電冰箱所在房間的溫度從 20攝氏度變到32攝氏度C.將熱菜或熱飯放入電冰箱中D .在電冰箱外放一盆冷水7 .人們首先發(fā)現(xiàn)了什么問題而發(fā)明了電冰箱（）A冰箱可以制作冰激凌B.低溫可以保險C.冰箱可以制作冰水D.冰箱可以冰鎮(zhèn)啤酒8判斷題及填空 李明學習時，用手去調(diào)節(jié)，臺燈的亮度，這種控制屬于自動控制。（）系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對

17、控制過程產(chǎn)生直接影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。（） 大年三十晚，王小軍在家忙于帖對聯(lián)，第一次粘穩(wěn)時發(fā)現(xiàn)對聯(lián)下端明顯偏向左邊，第二次經(jīng)過調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)對聯(lián)雖比上次有明顯好轉(zhuǎn)，但對聯(lián)下端仍有些偏向左邊，第三次調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)對聯(lián)上下已對齊。王小軍這一行為已構成一個反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。（）（4）控制系統(tǒng)的 不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。9在加熱爐的溫度控制系統(tǒng)中，可能有哪些干擾因素？系統(tǒng)是如何克服干擾使爐溫穩(wěn)定在一定范圍 的？答：可能的干擾有：打開爐門，放入或取出東西；外界溫度的變化；電壓的變化等。采取的辦法是利 用閉環(huán)控制。利用一個溫度傳感器，及時檢測溫度的變化，然后根據(jù)檢

18、測的結果控制開關的狀態(tài)：當溫度 高時就切斷開關，當溫度低時就接通開關加熱。10舉例說明控制的重要作用及意義。答：汽車發(fā)動機失控，造成飛車；人類對某些疾病失去控制，給人類帶來威脅；生活中，煮飯失去控 制，燒焦或煮不熟。圖中是聲控燈系統(tǒng)組成示意圖，根據(jù)你的理解和認識回答下列問題。聲控燈的優(yōu)點有哪些？如果聲控燈的附近并沒有來人，而出現(xiàn)意外的聲響，如樓上或隔壁有人高聲說話或以動作發(fā)出聲響,靈敏度高的聲控燈也會應聲而亮。為避免這種情況你有什么好辦法？畫出聲控燈的系統(tǒng)框圖。答案提示：關鍵詞：方便、節(jié)電用墻上的開關去開燈或關燈，已是習以為常的事。但是，在一個黑暗的走廊里用手摸索著尋找電燈開 關很費事，對外來

19、的生人更是難事；另外，人走了不關燈是常有的事，形成長明燈，浪費電力。聲控燈具有特殊功能與應用。比如，在公共樓道里安裝聲控燈既方便又省電。所謂方便是指來到樓道里的人，只需發(fā)出一定量的聲響（如咳嗽一聲，排一下掌，跺一下腳）電燈就 會自動點亮，而無需去找墻上的手操開關。所謂節(jié)電是指過了一小段時間，電燈又會自動熄滅，沒有人的 時候，電燈處于熄滅狀態(tài)，不會出現(xiàn)長明燈。把傳感器的靈敏度調(diào)小一點。12開環(huán)控制系統(tǒng)可用下面方框圖來描述。輸入量嬴至一|執(zhí)行器 產(chǎn)被控對象輸出量試列舉出幾種常見的開環(huán)控制系統(tǒng)。答：水泵抽水控制系統(tǒng)接通電源 （輸入）普通家用電飯煲的煮飯控制溫度答：游泳池水位控制?；@球比賽運動員投籃工

20、作過程籃圈的位置籃球?qū)嶋H投擲 的位置水箱水位控制（雄定水位）人體溫度控制系統(tǒng)環(huán)境溫度補充材料功能模擬方法和黑箱方法是控制論的主要方法。功能模擬法以功能和行為的相似為基礎，用模型模擬原型的功能和行為的方法。它為仿生學、人工智 能、價值工程提供了科學方法。如：獵手瞄準獵物的過程與自動火炮系統(tǒng)的功能行為是相似的，但二者的 內(nèi)部結構和物理過程是截然不同的。再如：在國際象棋的人機對弈中，計算機具有與人腦類似的邏輯判斷 功能，能模擬棋手的思維與人下棋。黑箱方法是把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)的輸入與輸出關系的研究進而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結 構及其功能的方法。在生活中有時我們需要認識對象的內(nèi)部無法打開或不便打開時這時我們可以通過觀測 和考察它的輸入與輸出的關系來推測其內(nèi)部的特性和功能，如：中醫(yī)看病通過“望聞問切”來了解病人的 病況，最后對病情作出判斷。再如：夏天買西瓜可以通過看瓜形、看瓜色、聽瓜聲、測彈性來判斷西瓜的 生熟。這些事例都沒有打開事物直接觀看內(nèi)部結構，而是通過觀察外部或試驗等方法來認識事物的。