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第四章 控制及其設計
第一節 控制系統的組成及工作過程
學習目標
1.理解控制系統的含義。
2.熟悉簡單開環、閉環控制系統的組成及工作過程，理解其中控制器、執行器、檢測裝置等的作用。
3.能用方框圖表達控制系統的工作過程。
情境引入
控制系統已經廣泛應用于社會各個領域，從家中的各類電器到高速鐵路網絡，從工業生產中的自動化流水生產線到飛機的導航系統，自動控制技術都有著實際的應用。隨著技術的發展，控制系統的應用領域還在不斷擴大。
一、什么是控制系統
什么是“控制系統” 控制系統是指實現對某個事物進行控制所需的一整套裝置的統稱。比如，都江堰水利工程就是一個水控制系統，包括了魚嘴分水堤、飛沙堰溢洪道和寶瓶口三部分;樓道里的聲、光控燈控制系統則包括了聲音傳感器、光傳感器、控制裝置和燈泡等。
一、什么是控制系統
理解任何控制系統，都吸明確:控制系統的控擊對象是什么 控制系統要達到什么目標 采取了什么控制手段 例如空調控制系統，若夏季空調的設定誰度為26 ℃，空調溫度傳感器檢測房間溫度，當房間溫度高于26 ℃時空調內部的控制裝置發出指令，使壓縮機和制冷系統開始工作，使房間內溫度下降;當房間溫度低于26 ℃時空調停止工作。該控制系統中控制對象是房間，控制目標就是伸得房間的實際溫度接近或達到設定的目標值，控制手段是控制空調壓縮機的啟動和停止，以維持房間溫度，如圖4.11所示。
一、什么是控制系統
控制系統方框圖(圖4.12)就是用圖框和文字代表控制系統的組成部分，用箭頭表達控制過程的信號和動作傳遞方向。它表示了控制系統各個組成部分在系統中的位置、功能和相互之間的關系，用這種方框圖分析控制系統，簡單明了。
二、開環控制系統
在電暖器取暖控制系統中，通過調節電暖器的擋位來設定電暖器不同的加熱功率。臥室、客廳一般采用的電熱汀取暖器又叫充油式電暖器。當接通電源后，調整加熱擋位，電暖器開始加熱，電加熱管周圍的導熱油被加熱，然后沿著熱管或散熱片將熱量散發出去，房間溫度開始上升(圖4.13)。圖4.14為電暖器取暖控制系統的方框圖。電暖器取暖控制系統中的房間實際溫度是我們擔要控制的量，稱為被控量。房間的實際溫度不對電暖器取暖控制系統的控制產生任何影響。
二、開環控制系統
對該系統的控制產生影響的為設定的加熱功率擋位，我們稱為設定量。我們把這種被控量對系統的控制產生任何影響的控制系統稱為開環控制系統。
開環控制系統的方框圖如圖4.15所示，設定量是控制系統的輸人信號，如設定加熱功率擋位;被控量是控制系統所要控制的量，也是控制系統的輸出信號，如房間實際溫度;控制器是控制系統的核心，是對設定量進行處理并發出控制命令的裝置;執行器是控制作用的最終執行者，即直接對被控對象進行控制的裝置或元件，如電加熱管:控制對象是控制系統中所要控制的裝置或生產過程。
二、開環控制系統
二、開環控制系統
例如，學校上課鈴控制系統是靠定時器控制的，其控制系統如圖4.16所示，就是一個開環控制系統。如果電線發生斷路，或者電鈴出現故障鈴聲不響，控制裝置不會發現問題，也無法采取補救措施。
三、閉環控制系統
在開環控制系統中，使用電暖器取暖控制系統給房間加熱，電暖器無法感知房間內溫度的變化，也不能根據室溫的變化調節發熱量，因此無法保證房間內溫度恒定。但當我們在冬天使用空調溫度控制系統給房間加熱時，就可以解決這個問題?？照{中通過一個江度檢測裝置對房間內的實際溫度進行檢測，并把檢測值返饋到比較器與設定值進行比較，如果檢測值與設定值有偏差，系統對被控量進行控制調節，直到達到設定值。
三、閉環控制系統
例如，冬季我們將空調工作溫度設定為22 ℃，空調溫度傳感器檢測房間溫度，當房間溫度低于22℃時，空調內部的控制裝置發出指令，伸壓縮機開始工作，仲房間內溫度上升:當房間溫度高于22 ℃時，空調停止工作。圖4.20所示為空調溫度控制系統的方框圖。
三、閉環控制系統
我們把這種將被控量檢測結果與設定值進行比較，系統根據偏差再次調節被控量，直至達到或接近設定值的控制系統，稱為閉環控制系統。閉環控制系統的方框圖如圖4.21所示。檢測裝置檢測出被控量并通過比較器與設定最進行比較，求出偏差值?？刂破骶瓦@一偏差值進行運算，向執行器發出控制命令，進而控制被控對象，使被控量穩定在一定范圍內。
四、控制系統的組成及各部分的作用
(一)檢測裝置
檢測裝置是檢測被控量并轉換成控制裝置可以識別的信號的裝置。檢測裝置中的核心是傳感器。檢測裝置要把傳感器檢測的信號轉換成控制裝置能夠識別的信號，這樣便于識別、傳輸和控制。所以，很多檢測裝置是由傳感器和信號轉換器組成的。有些傳感器的信號不需要轉換裝置就能夠識別，這時檢測裝置直接稱作傳感器。
四、控制系統的組成及各部分的作用
2.位移傳感器
位移傳感器可以測量物體移動的距離。位移傳感器的原理有很多種，如電阻式位移傳感器(簡稱電阻傳感器)就是利用金屬的電阻與長度成正比的性質，根據電阻大小測量位移的，如圖4.25所示。
四、控制系統的組成及各部分的作用
2.位移傳感器 位移傳感器可以測量物體移動的距離。位移傳感器的原理有很多種，如電阻式位移傳感器(簡稱電阻傳感器)就是利用金屬的電阻與長度成正比的性質，根據電阻大小測量位移的，如圖4.25所示。
3.力傳感器 力傳感器(圖4.26)可以測量力的大小。根據彈簧的彈力和彈簧仲長(或縮短)的長度，在電刷上安裝一個彈簧，用一個力壓縮彈簧。通過電刷的位移可以計算出壓縮彈簧所用的力，這樣就制成了力
傳感器。
四、控制系統的組成及各部分的作用
4.光傳感器 光傳感器(圖4.27)是指能檢測光的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、紅外傳感器等
四、控制系統的組成及各部分的作用
(二)控制裝置
控制裝置是控制系統的核心，它接收設定的被控量目標值，對控制對象進行控制;或者接收由傳感器從輸出端傳來的信號，把這個信號與設定的目標值進行比較、判斷，向執行裝置發出動作指令，調節被控量達到控制目標?？刂蒲b置有很多種，包括定時控制裝置、機械控制裝置、控制開關、單片機、計算機等。
四、控制系統的組成及各部分的作用
1.定時控制裝置
定時控制裝置是以時間作為被控量進行控制的?？刂蒲b置的核心是計時器，通過開關控制對象或執行裝置。比如微波爐的加熱時間就是靠定時器控制的。設定好加熱時間后，定時器開始計時，微波爐開始加熱;達到設定時間后，定時器控制裝置斷開工作電源，微波爐停止加熱。定時控制裝置可分機械式和電子式，如圖4.28所示，
四、控制系統的組成及各部分的作用
2.機械控制裝置
機械控制裝置是用機械零部件組成的控制裝置。蒸汽機的飛球控制裝置就是由齒輪、旋轉軸、重球和杠桿等機械零部件組成的機械控制裝置。抽水馬桶水箱液面控制系統(圖4.29)中的控制裝置是連接浮子和進水閥的杠桿。水箱液面是靠杠桿和浮子在杠桿上的位置來控制的。該控制系統是靠機械裝置(杠桿)進行水位控制的，屬于機械控制裝置。
四、控制系統的組成及各部分的作用
3.控制開關
控制開關是帶有某種傳感器的開關。有些可以作為控制裝置使用，有些可以配合控制裝置使用?？刂崎_關主要包括以下幾種:行程開關(圖4.30)，是靠物體接觸時的壓力撥動觸頭觸發電路通、斷;液位開關(圖4.31)，簡單的液位開關是靠導電液體與固定在某一高度的電極接觸或利用液體導電接通電路;光敏開關(圖4.32)，是利用光線控制的開關;聲控開關，是接收到一定音量的聲音時觸發電路。
四、控制系統的組成及各部分的作用
3.控制開關
控制開關是帶有某種傳感器的開關。有些可以作為控制裝置使用，有些可以配合控制裝置使用。控制開關主要包括以下幾種:行程開關(圖4.30)，是靠物體接觸時的壓力撥動觸頭觸發電路通、斷;液位開關(圖4.31)，簡單的液位開關是靠導電液體與固定在某一高度的電極接觸或利用液體導電接通電路;光敏開關(圖4.32)，是利用光線控制的開關;聲控開關，是接收到一定音量的聲音時觸發電路。
四、控制系統的組成及各部分的作用
四、控制系統的組成及各部分的作用
4.單片機、計算機
單片機實際上是一種微型化的計算機，它是把計算機的基本單元集成在一個硅片(芯片)上制成的(圖4.33)。單片機包含了微處理器(CPU)、數據存儲器(RAM)、定時器和輸人/輪出接口等。單片機和計算機一樣具有運算、控制功能，連接各種傳感器后，可以進行溫度控制、壓力控制、聲音控制等。許多電器以單片機為核心組成控制系統，如洗衣機、電冰箱、空調、電飯鍋等。大型、復雜的控制系統常采用計算機作為控制裝置。工業控制系統對可靠性的要求非常高，
四、控制系統的組成及各部分的作用
4.單片機、計算機
因為一旦計算機出現故障，可能會造成非常嚴重的事故。所以，工業控制系統要選用專門的工業控制計算機，簡稱“工控機”。
四、控制系統的組成及各部分的作用
(三)執行裝置
執行裝置是按照控制裝置的指令對控制對象及被控量進行控制、調節的裝置。在控制，調節的時候往往需要某個動作。比如，水箱的水位達到預定高度了，要關閉閥門;電梯到達選定的樓層，要停下并開門;下課時間到了，要接通電源打鈴;等等。執行這些動作，最終完成控制行為的裝置就是執行裝置。執行裝置需要某種動力來動作，這種動力可以是電動力、氣動力、液壓力、機械力等。常用的執行裝置有電動機、電磁鐵、電開關、閥門、氣缸、油缸、杠桿、齒輪等。
四、控制系統的組成及各部分的作用
1.開關和繼電器 開關經常用來控制電燈，是一種執行裝置。開關也可以控制其他執行裝置，比如控制電動機、電磁鐵等，這時可以將其看作是執行裝置的一部分。繼電器是一種間接的開關，是用低電壓、小電流的控制信號來控制大電流、高電壓執行裝置的控制器件，其結構與原理如圖4.34所示。
2.電磁閥 電磁鐵通電產生電磁力，可以吸引鐵磁性物質，比如銜鐵，斷電后電磁力消失。電磁鐵通常和彈簧配合，制作成短距離往復運動的執行裝置--電磁間。電磁閥結構簡單，控制方便。電磁閥是感應式水龍頭控制系統的執行裝置，其中的主要部件是電磁鐵。如圖4.35所示為控制水龍頭用的電磁閥。
四、控制系統的組成及各部分的作用
3.電動機
電動機是最常用的動力裝置，很多執行裝置都是用電動機作為動力裝置的。電動機的規格種類非常多，如家用的電風扇、洗衣機、電冰箱等，使用的是220 V的交流電動機:電動玩具上用的是直流微型電動機。如圖4.36所示的是常用的直流電動機和一種帶減速器的電動機。電動機產生旋轉運動，也可以通過配合齒輪、連桿等機構改變轉速，或者把旋轉運動轉變成往復運動、擺動等。
四、控制系統的組成及各部分的作用
四、控制系統的組成及各部分的作用
4.氣動裝置
公共汽車車門的開啟和關閉是由司機按動
控制按鈕，通過電磁閥打開氣缸(圖4.37)進氣門或排氣門來完成的。氣缸就是開關車門的執行器。
活動延伸
觀察:生活中常見控制系統的組成都有什么 分析其中的檢測裝置、控制裝置和執行裝置分別是什么(表4.4)
課堂·小結
1.系統的含義。
2.簡單開環、閉環控制系統的組成及工作過程，理解
其中控制器、執行器、檢測裝置等的作用。
3.用方框圖表達控制系統的工作過程。
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