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(共25张PPT)
控制及其设计
控制的方式与应用
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控制的方式与应用
控制的定义
人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。
智能垃圾桶
自动化流水线
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控制的方式与应用
控制类型
人工控制
智能控制
控制的过程是在人的直接干预或全程干预下进行的。
具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式，它能在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。
自动控制
在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地朝着期望的方向进行。
01
控制的方式与应用
自动控制类型
按照控制信号流和执行部件的不同，自动控制可分为气动控制、液压控制、电动控制、机械控制、电子控制等。
01
控制的方式与应用
具有智能信息处理、智能信息反馈和智能决策的控制方式，它能在无人干预的情况下，自主地驱动智能机器实现控制目标。
智能控制主要用于解决复杂系统的控制问题。
智能控制
家务机器人
开环控制系统的工作过程
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02
控制系统的工作过程
雨水收集池水位报警装置
当雨水收集池水位达到溢出高度时，需要报警提示，让家人及时用掉一些水。
上述报警控制装置中，水位是该控制装置的输入，通过水位传感器将信息传送到控制器；当水位达到报警值时，控制器输出信号到报警器，发出声光报警。这样一个系统称为控制系统。
给定量\设定量控制最初的信号（在系统开始运行之前由操作者或者控制系统设定的）
02
控制系统的工作过程
思考：下面控制系统的输入与输出是什么？
控 制 系 统
输入
输出
控制的结果输出信号
光控小夜灯
自动开关的窗户
红外水龙头
水位报警装置
室内的亮度
室外的雨水信号
手反射的
红外信号
设置水位
的高度
报警声音响、停
水龙头
通、断
窗户
开、关
小灯
亮、灭
02
控制系统的工作过程
开环控制系统
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响
输入量——即控制系统的给定量，如设定时间；
控制器——即对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件，如控制电路；
控制量——即执行器的输出信号，如流过水管的水量。
执行器——即直接对被控对象进行控制的装置或元件，如阀门；
被控对象——即控制系统中所要求控制的装置或生产过程；
输出量——（被控量）即控制系统所要控制的量，也是控制系统的输出信号，如浇灌的水量；
02
控制系统的工作过程
音乐喷泉
它的工作过程是由 “声－电转换装置”将起伏的音乐信号转换为随之而变化的电信号，从而驱动电动机及水泵转动。
音乐声信号强，水泵的转速就快，喷泉的压力和水流量就大，喷出的水柱就高。反之，喷出的水柱就低。
音乐信号的强弱与喷出水柱的高低一一对应。
（音乐）
（声—电转换装置）
（电动机、水泵）
（水泵转速）
（水柱）
（水柱高低）
02
控制系统的工作过程
希罗自动门
（烧火）
输入量
（转动轴3）
（水箱1、2和重锤）
（庙门）
（庙门开或闭）
输出量
控制器
执行器
被控制对象
转动量
控制量
闭环控制系统的工作过程
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03
闭环控制系统的工作过程
土壤湿度控制系统
通过温湿度检测系统，有一个可以检测土壤湿度的传感器，当检测到土壤湿度低于某一设定值的时候，水阀打开，进行浇灌，当上升到最大湿度值的时候，水阀关闭
输入信号是设定的土壤湿度。
湿度传感器检测到的土壤湿度信号返回到控制系统的输入端，通过一个具有计算功能的装置（比较器），与给定湿度值作比较。
当实际湿度比设定湿度低时，控制器控制电磁阀打开，给植物浇水；
当实际土壤湿度达到设定的土壤湿度时，控制器发出信号关闭电磁阀，停止浇水。
03
闭环控制系统的工作过程
闭环控制系统
控制系统的输出量会对系统的控制产生影响
图中，检测装置测量出被控量并返回到系统的输入端；
比较器将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；
控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；
执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在给定的范围内。
与开环控制系统相比，闭环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈通道。
03
闭环控制系统的工作过程
闭环控制系统的重要特征——反馈
在自动控制系统中，将输出量通过检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。
在带有反馈的控制系统中，既存在由输入端到输出端的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，带有反馈的控制系统就是前面所述的闭环控制系统。在工程中，反馈控制是自动控制中不可缺少的形式。
感应洗手→
03
闭环控制系统的工作过程
干扰因素
在控制系统中，除输入量（给定量）以外，引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。
冬天使用电饭锅做饭比夏天更加费电
当电饭锅在保温状态时，频繁地打开锅盖并将冷的食物放入锅中
外界环境
人为原因
03
闭环控制系统的工作过程
闭环与开环的比较
类别 反馈 控制精度 系统结构复杂度 系统结构稳定性 系统成本 适用场合
开环控制系统 一般 低 高 低
闭环控制系统 高 高 低 高
无反馈
有反馈
控制精度要求不高、本身很稳定的应用
高精度、高可靠、系统本身不稳定的应用领域
03
闭环控制系统的工作过程
黑箱方法
将要研究的系统作为“黑箱”，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。黑箱方法提供了一种不必打开系统就可以研究其内部结构和功能的方法。
挑西瓜
控制系统的设计与实施
4
04
控制系统的设计与实施
控制系统设计要素
设计一个控制系统，需要考虑诸多要素。
还需要画出必要的设计图纸（控制电路设计或系统结构设计）和实施图纸、撰写设计说明书等。
04
控制系统的设计与实施
开环控制系统的设计
开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求、被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。
例：普通电风扇控制系统的设计
被控对象——电风扇
被控量——电风扇输出的风速
控制量—— 电机的转速
04
控制系统的设计与实施
闭环控制系统的设计
闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。
第一，一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的。如输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡。若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。
第三，闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。
第二，控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定量之差应控制在允许范围之内。
04
思维导图
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