第九講控制與設(shè)計(jì)知識點(diǎn)歸納學(xué)習(xí)目標(biāo)：1. 理解控制的含義，了解控制的手段，理解控制在生活 中的應(yīng)用。2. 熟悉簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡單的工作 過程；能畫出一個(gè)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。3. 熟悉閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)的作用和閉環(huán)控制 系統(tǒng)的工作過程，找出主要的干擾因素并分析，了解功能模 擬方案和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。4. 了解簡單的被控對象的基本特征，能確定被控量、控 制量、畫出控制系統(tǒng)的方框圖。學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)：控制的手段；開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的流程圖； 閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程及干擾。學(xué)習(xí)過程：一、控制的手段與應(yīng)用1. 控制的手段控制的含義：案例分析：大禹治水 P96人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物 向期望的目標(biāo)發(fā)展，這就是控制。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(dá)到什么目的和采取什么控制手段例如：人力三輪車轉(zhuǎn)彎過程中的方向控制問題，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?的方向，控制的手段是騎車人通過雙手轉(zhuǎn)動(dòng)車把，改變前輪 的方向并帶動(dòng)后輪。控制的手段：控制的實(shí)現(xiàn)需要通過一定的手段。從控制過程中人工干預(yù)的情形來分，控制有人工控制和 自動(dòng)控制。人工控制是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進(jìn)行的。人工 控制又稱手動(dòng)控制。自動(dòng)控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化 準(zhǔn)確地按照期望的方向進(jìn)行。按執(zhí)行部件的不同，控制可分 為機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、液壓控制、電子控制等。案例分析：從手搖扇到空調(diào)器 P982. 控制的應(yīng)用控制應(yīng)用到生活中，提高了人們的生活質(zhì)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 們的需要。生產(chǎn)中往往需要對溫度、濕度、壓力、速度及加 工動(dòng)作等進(jìn)行控制，控制在生產(chǎn)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。 控制在軍事、國防等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。二、控制系統(tǒng)的工作過程與方式1. 控制系統(tǒng)案例分析：自行車行駛的速度控制的實(shí)現(xiàn) P102 案例分析：電風(fēng)扇的風(fēng)速控制的實(shí)現(xiàn) P102 任何一種控制的實(shí)現(xiàn)，都要通過若干個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié) 構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，我們稱之為控制系統(tǒng)。一般的控制過程都有 一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，控制系統(tǒng)的輸入輸出之間有一定的對 應(yīng)關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)一般分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。2. 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 控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)在日常生活中用途很廣。如十字路口的紅 綠燈定時(shí)控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報(bào)警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào) 警系統(tǒng)、公園的音樂噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)等。案例分析：自動(dòng)門的控制系統(tǒng) P103 在控制系統(tǒng)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)信號傳遞的方向，這種 圖稱為控制系統(tǒng)的方框圖，它表示了系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)在系統(tǒng) 中的位置、功能和相互之間的關(guān)系。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，通 常可以用下面的方框圖來描述：案例分析：水泵抽水控制系統(tǒng) P1043. 閉環(huán)控制系統(tǒng)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)控制系統(tǒng)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如下：與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)多了一個(gè)由檢測裝 置組成的環(huán)節(jié)。三、閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋1. 干擾因素在控制系統(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。有的干擾因素是環(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度的 變化的自然風(fēng)等；有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機(jī)導(dǎo)航信號的 手機(jī)信號等。在控制系統(tǒng)中， 干擾因素可能有一個(gè)， 也可能有若干個(gè) 如戰(zhàn)士在大風(fēng)大雨中進(jìn)行射擊練習(xí)，風(fēng)和雨都是子彈命中準(zhǔn) 確度的干擾因素?？刂葡到y(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控案例分析：電視機(jī) P109有些情況可以利用干擾因素實(shí)現(xiàn)某種目的。如在軍事演 習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn) 行干擾，使之不能正常工作。2. 反饋（1）反饋：控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當(dāng)?shù)臋z測裝置返回到輸入 并與輸入量進(jìn)行比較的過程，就是反饋。案例分析：投籃 P110利用反饋來分析和處理被控制對象，通過系統(tǒng)的書出來 調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)用的方法，稱為 反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉 電源，而自動(dòng)電水壺具有擋水沸騰時(shí)自動(dòng)切斷電源的功能， 終究是運(yùn)用反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的結(jié)果。閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過程從反饋來看，閉環(huán)控制系統(tǒng)就是指在系統(tǒng)的輸出端與輸 入端之間存在反饋問題，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制量（輸 出量）的偏差。一個(gè)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。案例分析：供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng) P112 加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) P113 （3）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)一般結(jié)構(gòu)簡單，適用于控制精度要求不高 而系統(tǒng)本身的元件又比較穩(wěn)定的場合。閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，構(gòu)成控制 系統(tǒng)的成本較高。閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制中廣泛采用的一 種方式，用于要求高精度和高可靠性的場合。3. 功能模擬方法： 以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)， 用“模 型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。4. 黑箱方法：把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng) 輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能 的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱 就可以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法。 例如，通過輸入圖像、 電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應(yīng)，研究人腦對 視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內(nèi)部結(jié) 構(gòu)的細(xì)節(jié)，就是黑箱方法的運(yùn)用。四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施1. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路 設(shè)計(jì)好一個(gè)控制系統(tǒng)，應(yīng)該明確這個(gè)系統(tǒng)要達(dá)到的目的 是什么，所要控制的對象是什么，被控制對象有哪些重要的 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(shè)計(jì)方案既能達(dá)到目的，又能經(jīng)濟(jì)、易于 實(shí)現(xiàn)，如何選擇設(shè)備和元件，等等。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng) 根據(jù)對控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達(dá)到控制 目的，采用易于實(shí)現(xiàn)的控制方式，降低控制成本、減少對環(huán) 境的負(fù)面影響等，是我們進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的基本 問題。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，還包括畫出必要的設(shè)計(jì)圖紙（控 制電路設(shè)計(jì)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）和實(shí)施圖紙、撰寫說明書等。（1）開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在明確設(shè)計(jì)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。例如：普通電風(fēng)扇控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，被控對象是電風(fēng)扇，被控量是電風(fēng)扇輸出的風(fēng)速， 控制量是電機(jī)的轉(zhuǎn)速；若是具有定時(shí)功能的電風(fēng)扇控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，則需在開關(guān)環(huán)節(jié)加一個(gè)定時(shí)器。案例分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) P119設(shè)計(jì)要求：電吹風(fēng)能根據(jù)不同的擋位（如冷風(fēng)擋檔、熱 風(fēng)擋）輸出不同種類的風(fēng)。設(shè)計(jì)分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的被控對象是電吹風(fēng)裝置， 被控量是風(fēng)的速度和溫度，控制量是電機(jī)的電壓，干擾因素 是房間溫度、電源電壓的波動(dòng)等。電吹風(fēng)的控制工作過程：電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的 熱量通過一個(gè)小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。方案構(gòu)思：選擇開環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電吹風(fēng)的控制要求。設(shè)定風(fēng)的檔位就設(shè)定了電機(jī)的電壓和電熱絲的阻值，接 通電源后，電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的風(fēng)通過電吹風(fēng) 的電熱絲，輸出的就是與設(shè)定的風(fēng)種相對應(yīng)的風(fēng)。確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫出必要的電氣 線路圖，選擇適當(dāng)型號的元件和配件，進(jìn)行組裝、調(diào)試。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本要求： 第一，一個(gè)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(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)。第三，閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)有較好的抗干擾性能。 在進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，幾項(xiàng)控制要求之間往往 會產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合具體問題全面解決或有所側(cè)重地解決。案例分析：抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) P120 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：1.當(dāng)水箱中的水位低于達(dá)到某一指定高度時(shí)， 進(jìn)水口立即進(jìn)水。2. 當(dāng)水箱的水位達(dá)到某一指定高度時(shí)，進(jìn)水口立即停進(jìn) 水。3. 控制系統(tǒng)對控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒有特別的 要求。設(shè)計(jì)分析：1從設(shè)計(jì)要求來看，這是一種自動(dòng)控制，因 此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。2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(jìn)水管的水流量（即進(jìn)水量） ，水箱 水位的高度與進(jìn)水量之間呈線性關(guān)系。3. 主要干擾因素是水箱的出水流量。方案構(gòu)思：采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當(dāng)水箱 的水位低于水箱的某一高度時(shí)，出現(xiàn)了水位差（給定的水位 高度與實(shí)際水位高度之差） ，這個(gè)信號通過浮球、連桿機(jī)構(gòu) 傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開，從而水箱進(jìn)水；當(dāng)水箱的水位 達(dá)到水箱的某個(gè)高度時(shí)，水位差為零，進(jìn)水閥關(guān)閉。水箱水位的控制過程：撥動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開， 水箱沖水，與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開，水箱進(jìn)水，直到指定水 位時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉。2. 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案 案例分析：自動(dòng)升旗簡易控制裝置的設(shè)計(jì) P121 本單元小結(jié)： 事物發(fā)展具有多種可能性。人們根據(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，就形成了控制。 人類的控制現(xiàn)象自古就有，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng) 控制得以迅速發(fā)展。控制的手段多種多樣，控制廣泛應(yīng)用于 人們的生產(chǎn)生活中。開環(huán)控制系統(tǒng)是指輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影 響的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)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)。 控制系統(tǒng)的工作過程通常可以用方框圖來表示。在控制系統(tǒng)中，除輸入量以外引起被控量變化的各種因 素，就是干擾因素。反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要特征，體現(xiàn) 了一定的思想方法，有著廣泛的應(yīng)用。此外，功能模擬方法、 黑箱方法在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及日常生活中也有著廣泛的應(yīng) 用。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，要明確控制目的、控制對象是什么， 要弄清干擾因素以及被控量、控制量，選擇經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn) 的手段來實(shí)現(xiàn)。