第四單元 控制與設計 一、控制的手段與應用,事物發(fā)展的結果可能是人們預先期望的，也可能是與預期的目標不相符，甚至是不希望得到的。如果人們想達到某一特定的目的，就必須運用適當?shù)氖侄蝸韺崿F(xiàn)。,了解控制,我們聽到過的“控制”,自動控制、控制情緒、自我控制的能力、控制溫度 控制人口增長、控制病情等等,“控制”存在與當今社會的各個方面。,工業(yè)生產(chǎn)、城市交通、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天技術等等,什么是控制,事物的發(fā)展與變化具有多樣性。,如果人們想達到一定的目的，就必須采取一定的手段來實現(xiàn)。,控制的定義： 人們按照自己的意愿和目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發(fā)展，這就是控制。,事物的發(fā)展與變化,一棵蘋果樹,天上降落的雨水,騎自行車,采取的手段,蘋果樹,雨水,騎自行車,控制是普遍存在。,遙控航模飛機 抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng),抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng),控制的含義,對控制現(xiàn)象理解從下面三個方面入手：,1、對象：控制的對象是什么？,2、目的：控制要達到什么目的？,3、手段：要采用什么樣的手段來控制？,控制是根據(jù)自己的目的，通過一定的手段使事物沿著某一確定方向發(fā)展的行為和過程。,課本P97：馬上行動,控制的實現(xiàn)需要通過一定的手段。從控制過程中人工干預的情形來分，控制有人工控制和自動控制。,控制的手段,從人工干預的情形來分：,人工控制：,控制的過程是在人的直接干預下進行的。,如：人工紡紗、打開普通自來水龍頭，撳按鍵打開電燈、駕駛汽車等；,關/開 門,駕駛汽車,自動控制：,在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。,控制實例,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換等,太陽能路燈,自動門,從執(zhí)行控制的部件來分：,機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等等。,在很多的控制事例中，控制的手段可以是綜合的。,控制實例1,人工控制,自動控制,自動控制,控制實例1,自動控制,人工控制,人工控制,控制實例1,自動控制,人工控制,控制的應用,控制的應用自古就有，并在近代得到迅速發(fā)展，在社會生產(chǎn)生活的各個領域都有極其廣泛的應用。,控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應用,控制應用到工業(yè)生產(chǎn)中，提高了產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動強度，為工人提供了安全保障。,生產(chǎn)流水線,紡織機,汽車自動裝配生產(chǎn)線,汽車油漆,控制在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用,控制應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高了勞動效率，減輕了農(nóng)民的勞動強度，使農(nóng)民減少在農(nóng)田里日曬雨淋的時間。,聯(lián)合收割機,農(nóng)田灌溉,水 車,溫室,農(nóng)田灌溉,電源,控制室,水泵,農(nóng)田灌溉,折射式微噴,射流式微噴,錘式微灌,控制在軍事、國防中的應用,控制應用到軍事國防中，提高了國家防備和抵抗侵略的能力，為保衛(wèi)國家的主權、統(tǒng)一、領土完整和安全提供了必要的條件。,“神舟五號” 返回地面。,導彈、火箭,控制在日常生活中的應用,控制應用到日常生活中，提高了人們的生活質量，人類能夠在一定程度上按照自己的意愿改變周圍的環(huán)境，使之滿足人們的要求。,空調機,自動取款機,自動控制水龍頭, ,現(xiàn)代網(wǎng)絡家電,控制在社會生活中的應用,控制應用到社會生活中，使整個社會能協(xié)調、健康、有序地發(fā)展。,控制人口增長，提高人口素質,各種法律制度,交通管理, ,二、控制系統(tǒng)的工作過程與方式,學習目標 1、分析典型案例，明確什么是系統(tǒng)。 2.知道反饋在電子控制系統(tǒng)中的作用 3.知道開環(huán)電子控制系統(tǒng)和閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的區(qū)別,會用方框圖分析生活中常見電子控制系統(tǒng)找出原理.,1、控制系統(tǒng),自行車行駛速度的控制：,腳踩的力 腳蹬、曲柄、鏈輪、 自行車行駛的速度 （輸入） 中軸、鏈條、飛輪 (輸出),電風扇的風速控制:,電風扇風速的擋位 電機、扇葉 風速 (輸入) (輸出),什么叫控制系統(tǒng):,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)就構成了一個系統(tǒng),稱為控制系統(tǒng).,控制系統(tǒng)的輸出與輸入之間有一定的對應關系.,控制系統(tǒng)通常分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng),一、開環(huán)控制系統(tǒng),1、什么是開環(huán)控制系統(tǒng) 如果控制系統(tǒng)的輸出結果對系統(tǒng)的控制沒有影響，也就是被控量的變化不會引起控制量的改變，即沒有反饋。,游泳池注水控制系統(tǒng) 定時器進水閥門游泳池 設定注水時間 水流量 游泳池水位 (輸入) (輸出) 自動門的控制系統(tǒng) 控制電路 電機 自動門 紅外線信號 轉動 門的開啟或關閉,列舉你所知道的開環(huán)控制系統(tǒng)：,電燈的的控制,電路、燈,“開與關”,燈“亮與滅”,輸入,輸出,電風扇的控制,電路、電機、扇葉,風速擋位,風速,輸入,輸出,控制系統(tǒng)的特征,案例分析：自動門,自動門的動作過程是怎樣的？ 當門口沒有人時，門是關著的；當有人來門口時，門打開；當人離開門口后一段時間，門又關閉。 自動門的功能和技術要求： 功能：無人時，常關；有人時，開門 技術要求：當人距門1m時，門即打開；門打開后，延時10s后關門,自動門如何實現(xiàn)自動開、關的呢？,電機,自動門,控制電路,門的開啟 或關閉,人體 熱輻射,轉動,電機,控制電路,紅外傳感器,控制器,執(zhí)行器,控制量,紅外傳感器,自動門控制系統(tǒng)的方框圖,開環(huán)控制系統(tǒng)：像這樣信息只從輸入端傳遞到輸出端，沒有信息反饋的控制系統(tǒng)，稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。,開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖,擴展思考,根據(jù)自動門控制系統(tǒng)控制過程和原理，通過稍加改動，你還可以設計出應用其他方面的控制系統(tǒng)嗎？請用方框圖表示你的設計想法。,對“嬰兒尿濕報警器”分析與擴展思考,“嬰兒尿濕報警器”控制系統(tǒng)是怎樣工作的？如何用方框圖表示？,根據(jù)嬰兒尿濕報警器的控制原理，通過稍加改動，你還可以設計出應用在哪些方面的控制系統(tǒng)？請用方框圖表示你的想法。與前面的“自動門”相結合，你又可以設計出一個怎樣的控制系統(tǒng)？,控制系統(tǒng)方框圖：,在控制系統(tǒng)中，為了分析方便，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)信號傳遞的方向，這種圖稱為控制系統(tǒng)的方框圖。,控制系統(tǒng)方框圖的作用：表示系統(tǒng)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,控制器,執(zhí)行器,被控對象,輸出量,(控制量),(給定量),(被控量),輸入量:如游泳池的設定時間;輸出量:游泳池的水位,例: 電子門鈴的開環(huán)電子控制系統(tǒng),用手按動按鈕開關,輸入一個觸發(fā)信號 音樂集成電路經(jīng)過觸發(fā)后工作,產(chǎn)生一組載有”音樂”的電信號. 揚聲器將電信號轉變?yōu)橐魳仿? 輸出的音樂聲的變化對系統(tǒng)的控制狀態(tài)并不產(chǎn)生影響,即不存在反饋.,輸入: 控制(處理): 輸出: 特點:,分析下列電子控制系統(tǒng)中的被控對象、被控量、控制器和它們的工作過程的共同點:,揚聲器,音樂聲,音樂集成電路,路燈,光的變化,電子電路,鎖舌,鎖舌的運動,集成電路,集成電路,門,門的開關,閉環(huán)控制系統(tǒng),反饋,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。,投籃,（1）什么是反饋,從反饋來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。 由于某種干擾因素的存在，系統(tǒng)的被控量偏離給定值時，閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)能及時檢測出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進行比較，控制器根據(jù)比較得到的偏差信號進行調節(jié)，從而使系統(tǒng)的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。所以，一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。,閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程,供水水箱的水位自動控制系統(tǒng),加熱爐的溫度自動控制系統(tǒng),游泳池注水控制系統(tǒng)方框圖：,簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖：,被控對象,執(zhí)行器,控制器,給定量,控制量,被控量,檢測裝置,比較器,-,+,閉環(huán)控制系統(tǒng),小 結,控 制 系 統(tǒng),開環(huán),閉環(huán),控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響,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,系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響,輸出量到輸入量之間的信號形成一個回路,閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖,1、干擾因素,干擾就是對控制系統(tǒng)的行為造成影響的有害的信號及擾動，即除給定量外，引起被控量變化的各種因素稱為干擾因素。 干擾對控制功能的影響 克服干擾的基本方法 1、消除干擾2、減弱干擾3、提高控制系統(tǒng)性能,2、反饋,1、什么是反饋 控制系統(tǒng)中，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 。 2、系統(tǒng)工程最重要的定理是反饋原理。一個系統(tǒng)要讓它安定運行下去必須有反饋系統(tǒng)。反饋有兩種，一種是叫正反饋，一種叫負反饋。系統(tǒng)在運行中不斷會受到周圍信號的干擾，正反饋的作用是把這些干擾信號放大到無限大，讓這個系統(tǒng)崩潰。負反饋的作用是把這些信號縮小到最小，讓它不影響系統(tǒng)的安全運行，讓系統(tǒng)處于一個穩(wěn)定狀態(tài)。,瓦特式速度調節(jié)器原理1,閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程 從反饋看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過反饋來減少被控量的偏差。 閉環(huán)控制系統(tǒng)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較 開環(huán)控制系統(tǒng)本身不能對被控量進行調整和補償。 由于某種干擾信號的作用使輸出信號出現(xiàn)非正常狀態(tài)時，系統(tǒng)本身沒有自動糾正能力，必須借助與人工。 閉環(huán)控制系統(tǒng)則不然，不論何種原因造成系統(tǒng)的輸出量偏離給定量，閉環(huán)控制系統(tǒng)都會產(chǎn)生控制作用來減小這一偏差。,3、控制系統(tǒng)的分析方法,功能模擬方法 以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬原型的功能和行為的方法 。,黑箱方法 通過對系統(tǒng)的輸入與輸出的關系的研究推斷系統(tǒng)內部結構和功能的方法，通過觀測黑箱外部的輸入信息(外界對黑箱的影響)和輸出信息(黑箱對外界的反應)研究和認識其功能、特性、結構、機理。,