資源簡(jiǎn)介

第九講 控制與設(shè)計(jì)
一、控制的手段與應(yīng)用
1.控制的手段
⑴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(guò)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(duì)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(chē)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的方向控制問(wèn)題，其控制的對(duì)象就是人力三輪車(chē)，控制的目的是為了改變?nèi)嗆?chē)行駛的方向，控制的手段是騎車(chē)人通過(guò)雙手轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)把，改變前輪的方向并帶動(dòng)后輪。
⑵控制的手段：控制的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)一定的手段。
從控制過(guò)程中人工干預(yù)的情形來(lái)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(chēng)手動(dòng)控制。
自動(dòng)控制是指在無(wú)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。
有時(shí)，控制手段又可以綜合的。案例分析：從手搖扇到空調(diào)器
2.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(lèi)能夠在一定程度上按照自己的意愿改變周?chē)沫h(huán)境，使之滿(mǎn)足人們的需要。
生產(chǎn)中往往需要對(duì)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(guó)防等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。閱讀：控制論P(yáng)101
二、控制系統(tǒng)的工作過(guò)程與方式
1.控制系統(tǒng)
案例分析：自行車(chē)行駛的速度控制的實(shí)現(xiàn)P102
HYPERLINK "http://img.blog./photo/G7temeyk8nxvUs0CGW1Slw==/2022397707666444694.jpg" \t "_blank"
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(guò)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(chēng)之為控制系統(tǒng)。一般的控制過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系。
控制系統(tǒng)一般分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
開(kāi)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(lè)噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)等。
案例分析：自動(dòng)門(mén)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(lái)表示系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，用單向信號(hào)線來(lái)表示系統(tǒng)信號(hào)傳遞的方向，這種圖稱(chēng)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(duì)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，通常可以用下面的方框圖來(lái)描述：
HYPERLINK "http://img.blog./photo/RqC_p9MtBYFzwRSUBxIPSQ==/3991878119710847242.jpg" \t "_blank"
輸入量即控制系統(tǒng)的給定量，如游泳池進(jìn)水的設(shè)定時(shí)間；輸出量（被控量）即控制系統(tǒng)所要控制的量，也是控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)，如游泳池的水位；被控對(duì)象即控制系統(tǒng)中所要求的裝置或生產(chǎn)過(guò)程，如游泳池；執(zhí)行器即直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的裝置或元件，如進(jìn)水閥門(mén)；控制器即對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件，如控制電路；控制量即執(zhí)行器的輸出信號(hào)，如流過(guò)閥門(mén)的水量。
案例分析：水泵抽水控制系統(tǒng)P104
3.閉環(huán)控制系統(tǒng)
系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如下：

HYPERLINK "http://img.blog./photo/kBJzmBenf7PNXpF1PfcoBg==/5396438253497032287.jpg" \t "_blank"
檢測(cè)裝置測(cè)量出被控量并返回到系統(tǒng)的輸入端； HYPERLINK "http://img.blog./photo/_adcZP9iSZZvJSkzx1Xp3w==/4526962050437773994.jpg" \t "_blank" 是比較器，它將給定量與所檢測(cè)的被控量進(jìn)行比較，求出偏差值；控制器將這一偏差值進(jìn)行運(yùn)算處理，并向執(zhí)行器下達(dá)控制指令；執(zhí)行器根據(jù)指令對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，從而使被控量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
與開(kāi)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(cè)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(chēng)為干擾因素。
有的干擾因素是環(huán)境造成的，如影響自行車(chē)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(hào)的手機(jī)信號(hào)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。控制系統(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。
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(duì)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）什么是反饋
控制系統(tǒng)中，將輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程，就是反饋。
案例分析：投籃 P110
利用反饋來(lái)分析和處理被控制對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)的書(shū)出來(lái)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(chēng)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。
(2) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程
從反饋來(lái)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(wèn)題，輸出量對(duì)控制過(guò)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(guò)反饋來(lái)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
案例分析：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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的比較
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)合。
閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)相對(duì)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(chǎng)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。
閱讀：功能模擬方法的提出 P115 思考：功能模擬方法對(duì)技術(shù)有何意義？
4.黑箱方法：把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過(guò)對(duì)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(kāi)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(guò)輸入圖像、電或聲音信號(hào)，觀測(cè)、分析腦電波的輸出反應(yīng)，研究人腦對(duì)視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)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(duì)象是什么，被控制對(duì)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(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng)根據(jù)對(duì)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(duì)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(wèn)題。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，還包括畫(huà)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(xiě)說(shuō)明書(shū)等。
（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在明確設(shè)計(jì)要求，明確被控對(duì)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(duì)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(kāi)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(lèi)的風(fēng)。
設(shè)計(jì)分析：電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的被控對(duì)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(guò)程：電吹風(fēng)是要將其內(nèi)部電熱絲的熱量通過(guò)一個(gè)小電風(fēng)扇擴(kuò)散出去。
方案構(gòu)思：選擇開(kāi)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(guò)電吹風(fēng)的電熱絲，輸出的就是與設(shè)定的風(fēng)種相對(duì)應(yīng)的風(fēng)。
HYPERLINK "http://img.blog./photo/4sO79cJeMr3J0FRRcimRSA==/2841489889894406178.jpg" \t "_blank"
確定了電吹風(fēng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，畫(huà)出必要的電氣線路圖，選擇適當(dāng)型號(hào)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(jiǎn)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(huì)產(chǎn)生矛盾，需要結(jié)合具體問(wèn)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：⒈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。
⒉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。
⒊控制系統(tǒng)對(duì)控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性均沒(méi)有特別的要求。
設(shè)計(jì)分析：⒈從設(shè)計(jì)要求來(lái)看，這是一種自動(dòng)控制，因此選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。
⒉被控對(duì)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。
⒊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(cè)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(hào)通過(guò)浮球、連桿機(jī)構(gòu)傳給進(jìn)水閥，使進(jìn)水閥打開(kāi)，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(guò)程：撥動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開(kāi)，水箱沖水，與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開(kāi)，水箱進(jìn)水，直到指定水位時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉。
HYPERLINK "http://img.blog./photo/UzyagBX2mGNTCdY-ngJwWA==/3991878119710847280.jpg" \t "_blank"
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(jiǎn)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(guò)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(lèi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指輸出量不對(duì)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(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的工作過(guò)程通常可以用方框圖來(lái)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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

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