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control & design
第四章·控制与设计
Chinese companies will no longer remain in the hard stage and they are also promoting a culture Chinese companies will no longer remain
in the hard stage and they are also wang ling yan a culture
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控制的基本概念
控制的概念：我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的手段，使事物朝着期望的目标发展，就形成了控制。
控制的原因：由于事物的发展与变化具有多样性，为了让事物发展的结果是人们所期望的，需要“控制”。
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非期望方向
事物（控制对象）
期望方向
通过一定的手段
控制技术及其组成的系统在我们生活中普遍存在，他们为人们的美好生活和高效工作提供了便利。
在日常生活中，我们都在有意或无意的进行着控制，如“情绪控制”、“温度控制”、“速度控制”等。
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控制的基本概念
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对象
目的
手段
控制要达到什么目的
控制的对象是什么
采取什么控制手段
举例：汽车的转向控制
控制目的:改变行驶方向
控制对象:车轮
控制手段：驾驶者通过转动方向盘推动转向杆，再带动车轮转向。
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马上行动：按分组小组成员研讨交流后填写表格
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控制的分类
手动控制
自动控制
智能控制
开环控制
闭环控制
控制
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手动（人工）控制
如果控制过程必须在人的直接干预下才能完成的任务（如射箭、鼠标、开车控制等），我们称之为手动控制。
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手动控制是我们最常用的一种控制方式，它的特点是结构相对简单，成本也较低。由于手动控制需要人直接或间接的干预，所以控制的效果往往与控制者的技能高低、心理状态、生理状态、外部环境等因素有较大的关系。但由于人的高度智能，手动控制又能完成很多其他控制方式不能完成或很难完成的任务，如在复杂环境下汽车、飞机的驾驶等。
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如果控制过程不需要人的干预，就能达到期望的控制效果，则称为自动控制。
自动控制
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智能控制
智能控制的定义有很多种，其中一种观点认为智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制。智能控制是控制技术与理论发展的高级阶段，主要用来解决那些在复杂系统中用传统方法难以解决的控制问题。这些问题的求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。
智能家居
人工智能机器人
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开环控制、闭环控制
能将控制的结果反馈回来与期望值进行比较，并根据它们的误差调整控制作用的控制过程，称为闭环控制。而不能将控制的结果反馈回来影响控制作用的控制过程，称为开环控制。将控制结果反馈回来的部分，称为反馈环节。
02
PART TWO
控制的基本组成和工作过程
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案例1 自动门控制
当门口没有人时，门是关着的；
当有人来到门口时，门打开；
当人离开门口后一段时间，门又关闭。
自动控制门是如何实现自动开、关的？
自动门控制系统
（有人否）
（开/关）
输入
输出
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电动机
控制电路
红外传感器
（1）当有人到达门前某一距离（如1m）时，传感器感知，并发出“有人”信号。
（2）控制电路接到传感器传来的信号，经变换放大后传给电动机。
（3）电动机根据传来的开门信号转动，门被打开。
（4）控制器保持开门信号延时（如10s）后，自动发出关门信号，电动机反转，门重新关闭。
红外传感器
控制电路
电动机
门
输入量
输出量
（有人否）
（开/关）
传感器
控制器
执行器
被控对象
输入量
输出量
控制器
红外传感器控制电路
思考：人一直站在门口，自动门会怎么样？
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被控对象
执行器
控制器
设定水位
人脑和手
进水阀门
水箱
水箱水位
案例2 水箱水位控制
方式 传感器 控制器 执行器 被控对象
人工
自动
人眼
人脑和手
阀门
水箱
水箱
阀门
连杆机构
浮子
传感器
被控对象
执行器
控制器
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设定水位
连杆机构
进水阀门
水箱
浮子
水箱水位
比较器
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控制器
执行器
被控对象
输入量
输出量
开环控制系统
3.特征：
（1）系统的输出量仅受输入量控制，但输出量不会影响输入量。
（2）输入量到输出量之间的信号是单向传递（所以抗干扰能力差）。
2.开环控制系统框图
1.概念：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。
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闭环控制系统
控制器
执行器
被控对象
输入量
反馈环节
1.概念：系统的输出量返回到输入量并对控制过程产生影响的控制系统。
2.闭环控制系统框图：
输出量
3.特征：
（1）和开环控制系统比较，闭环控制系统多出了两个环节：检测反馈环节和比较环节（抗干扰能力强）。
（2）闭环系统的信号流形成闭合的回路。而开环控制系统的信号流是单一方向的。
03
PART THREE
控制系统框图
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控制器
执行器
被控对象
输入量
反馈环节
输出量
标题名称
控制者给定的基准值/期望值
处理输入信号并发出控制命令的装置
将控制器的信号转化成影响被控对象的信号的装置
控制者实施控制的物体
控制系统最终的输出值
将输出信息反传给比较环节
对输出量与输入量进行比较
前向通道
反馈通道
04
PART THREE
控制系统的干扰
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轻度失温
患者体温下降到33—35℃，同时会产生剧烈的寒战、四肢冰凉、脸色苍白、严重疲劳、语言不清、肌肉不受意识控制、呆滞、记忆力减退、情绪改变或者失去理智、脉搏减缓、幻觉等。
重度失温
患者体温降到32℃以下，并且失去意识，进入类似冬眠的状态。具体表现为肌肉不再痉挛、脉搏和呼吸速度放慢、体表血液循环大幅度下降、丧失意识等。
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思考：人体温度控制会被什么因素影响？
应保持的体温
人体
实际体温
外界温度、湿度、风......
给定量
被控量
干扰因素可能一个，也可能若干个。
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一、干扰对控制功能的影响
在实际的控制系统中，常常会有一些变化不定的因素对系统的行为造成不良影响，这种有害的因素，我们称其为“干扰”。有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。
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开环控制系统-干扰
给定值
控制器
执行器
被控对象
控制量
被控量
干扰
输出量
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干扰
给定值
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
控制量
比较器
被控量
闭环控制系统-干扰
输出量
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电冰箱的温度控制系统， 下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素
开电冰箱门
电冰箱所在房间的温度从20度变到32度
把热菜热饭放入电冰箱中
在电冰箱外放一盆冷水
是
是
是
否
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干扰会使被控对象产生错误动作。
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二、克服干扰的基本方法
在控制系统中，干扰会使被控对象产生错误的动作，所以在多数控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。
空调器的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高时，空调器监测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。
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开环控制系统的控制精确度(或称控制精度)相对比较低。但如果控制系统中各组成元件的特性比较稳定，而且外界的干扰相对较小，则开环控制系统也可以保证一定的精度。一般来说，开环控制系统的结构比较简单，适用于控制精度要求不高而系统本身的元件又比较稳定的场合。
闭环控制系统的优点是控制精度高，不论何种原因造成系统的输出量偏离给定量，闭环控制系统都会产生控制作用来减小这一偏差。与开环控制系统相比，闭环控制系统的设计比较麻烦，结构也相对复杂，构成控制系统的成本较高。闭环控制系统是自动控制中广泛采用的一-种控制方式，用于要求高精度和高可靠性的场合。
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闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。所以一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。
干扰
给定值
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
控制量
比较器
被控量
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思考：干扰是否都是无用的、有害的？
干扰因素有时要克服，有时还可利用。在军事中，可利用一定频率的电磁波对对方的信息指挥系统进行干扰。

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