資源簡介

第四單元 控制與設計
一、控制的手段與應用
1、控制的含義：
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發展，這就是控制。
理解任何控制現象，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：人力三輪車轉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三輪車行駛的方向，控制的手段是騎車人通過雙手轉動車把，改變前輪的方向并帶動后輪。
2、控制的手段：
人工控制是在人的直接干預和全程干預下進行的。人工控制又稱手動控制。
自動控制是指在無人直接參與的情況下，使事物的變化準確地按照期望的方向進行。
有時，控制手段又可以綜合的。案例分析：從手搖扇到空調器P98
3、控制的應用：
（1）生活：控制應用到生活中，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境，使之滿足人們的需要。
（2）生產：生產中往往需要對溫度、濕度、壓力、速度及加工動作等進行控制，控制在生產中得到了極為廣泛的應用。
（3）軍事國防：控制在軍事、國防等領域也有著廣泛的應用。
二、控制系統的工作過程與方式
1、簡單開環控制系統的基本組成和工作過程：
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響的控制系統。
例：紅綠燈定時控制系統、防盜報警控制系統、火災自動報警系統、公園的音樂噴泉自動控制系統、
紅外線自動門控制系統、普通電風扇風速控制系統、可調光臺燈控制系統等。
特征：系統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。
方框圖：

輸入量：控制系統的給定量。
控制器：對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件。
執行器：直接對被控對象進行控制的裝置或元件
控制量：執行器的輸出信號。
被控對象：控制系統中所要控制的裝置或生產過程
輸出量：控制系統所要控制的量。
任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節構成一個系統，我們稱之為控制系統。一般的控制過程都有一個輸入和一個輸出，控制系統的輸入輸出之間有一定的對應關系。
控制系統一般分為開環控制系統和閉環控制系統。
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統為開環控制系統。
開環控制系統在日常生活中用途很廣。如十字路口的紅綠燈定時控制系統、樓宇的防盜報警控制系統、火災自動報警系統、公園的音樂噴泉自動控制系統等。
案例分析：自動門的控制系統P103
在控制系統中，為了分析的方便，常采用方框來表示系統的環節，用單向信號線來表示系統信號傳遞的方向，這種圖稱為控制系統的方框圖，它表示了系統的各個環節在系統中的位置、功能和相互之間的關系。對于開環控制系統，通常可以用下面的方框圖來描述：
輸入量即控制系統的給定量，如游泳池進水的設定時間；輸出量（被控量）即控制系統所要控制的量，也是控制系統的輸出信號，如游泳池的水位；被控對象即控制系統中所要求的裝置或生產過程，如游泳池；執行器即直接對被控對象進行控制的裝置或元件，如進水閥門；控制器即對輸入信號進行處理并發出控制命令的裝置或元件，如控制電路；控制量即執行器的輸出信號，如流過閥門的水量。
案例分析：水泵抽水控制系統P104
2、閉環控制系統的基本組成：
系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統。
例：供水水箱的水位自動控制系統、加熱爐的溫度自動控制系統、花房溫度控制系統、投籃、
家用電飯鍋保溫控制系統、家用電冰箱溫度控制系統等。
基本組成：與開環控制系統相比，閉環控制系統多了檢測裝置、比較器。
閉環控制系統的方框圖：

4、控制器和執行器的作用：
控制器：對輸入信號（偏差值）進行運算處理，并發出控制命令。
執行器：根據指令對被控對象直接控制。
三、閉環控制系統的干擾與反饋
1、干擾因素：
在控制系統中，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。
有的干擾因素是環境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風等；
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。
有些情況可以利用干擾因素實現某種目的。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進行干擾，使之不能正常工作。
2、反饋的含義：
控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置，返回到輸入并與輸入量進行比較的過程，就是反饋。
利用反饋來分析和處理被控制對象，通過系統的書出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運用的方法，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，而自動電水壺具有擋水沸騰時自動切斷電源的功能，終究是運用反饋方法實現自動控制的結果。
3、反饋環節的作用：
通過將輸出量通過適當的檢測裝置，返回到輸入并與輸入量進行比較，從而減少輸出量的偏差，穩定輸出量。
4、閉環控制系統的工作過程：
（1）閉環控制系統的核心是通過反饋來減少被控制量（輸出量）的偏差。
（2）工作過程：由于干擾因素的存在，系統的被控量偏離給定值時；閉環控制系統中的反饋環節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；控制器根據比較得到的偏差信號進行調節，從而是系統的被控量接近給定值，達到精確控制的目的。
從反饋來看，閉環控制系統就是指在系統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生影響的控制系統。閉環控制系統的核心是通過反饋來減少被控制量（輸出量）的偏差。
一個閉環控制系統，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控制系統P112
案例分析：加熱爐的溫度自動控制系統P113
5.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，就是功能模擬方法。
閱讀：功能模擬方法的提出 P115 思考：功能模擬方法對技術有何意義？
6.黑箱方法：
把將要研究的系統作為黑箱，通過對系統輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。
例：通過輸入圖像、電或聲音信號，觀測、分析腦電波的輸出反應，研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換和處理功能，得知人腦內部結構的細節，就是黑箱方法的運用。
7、開環控制系統與閉環控制系統的比較：
開環控制系統一般結構簡單，適用于控制精度要求不高而系統本身的元件又比較穩定的場合。
閉環控制系統設計比較麻煩，結構相對復雜，構成控制系統的成本較高。閉環控制系統是自動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。
四、控制系統的設計與實施
1、控制系統設計的一般思路：
設計好一個控制系統，應該明確這個系統要達到的目的是什么，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，選擇怎樣的設計方案既能達到目的，又能經濟、易于實現，如何選擇設備和元件，等等。
設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。能達到控制目的，采用易于實現的控制方式，降低控制成本、減少對環境的負面影響等，是我們進行控制系統設計必須考慮的基本問題。
控制系統的設計方案，還包括畫出必要的設計圖紙（控制電路設計或系統結構設計）和實施圖紙、撰寫說明書等。
2、開環控制系統的設計(書本P119案例分析：電吹風控制系統的設計)
開環控制系統的設計相對比較簡單，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的方案。
確定了電吹風控制系統的設計方案后，畫出必要的電氣線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調試。
例如：普通電風扇控制系統的設計，被控對象是電風扇，被控量是電風扇輸出的風速，控制量是電機的轉速；若是具有定時功能的電風扇控制系統的設計，則需在開關環節加一個定時器。
案例分析：電吹風控制系統的設計 P119
設計要求：電吹風能根據不同的擋位（如冷風擋檔、熱風擋）輸出不同種類的風。
設計分析：電吹風控制系統的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。
電吹風的控制工作過程：電吹風是要將其內部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。
方案構思：選擇開環控制系統實現電吹風的控制要求。
設定風的檔位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。
3、閉環控制系統的設計(書本P120案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計)
基本要求：
第一、一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的。
第二、控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內。
第三、閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。
案例分析：抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計P120
設計項目：抽水馬桶水箱的自動控制系統
設計要求：
⒈當水箱中的水位低于達到某一指定高度時，進水口立即進水。
⒉當水箱的水位達到某一指定高度時，進水口立即停進水。
⒊控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別的要求。
設計分析：
⒈從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。
⒉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（即進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。
⒊主要干擾因素是水箱的出水流量。
方案構思：
采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位低于水箱的某一高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際水位高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱的水位達到水箱的某個高度時，水位差為零，進水閥關閉。
水箱水位的控制過程：
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。
2.控制系統的設計與實施方案
案例分析：自動升旗簡易控制裝置的設計P121
項目3 臺燈
按人工干預來分：人工控制、自動控制
按執行部件來分：機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制

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