资源简介

(共66张PPT)
第四单元　
控制及其设计
知识体系
一、控制的方式与应用
二、开环控制系统的工作过程
四、控制系统的设计与实施
教材解读
一、控制的方式与应用
1.理解控制的含义
(1)控制的含义:事物的发展与变化具有多样性,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。
(2)控制的三要素:控制对象、控制目的和控制手段。
(3)控制的分类
①人工控制:控制的过程是在人的直接干预或全程干预下进行的。
②自动控制:是指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。(注意:自动控制在有些情况下还是需要人手动输入目标指令)
③智能控制:智能控制是具有智能信息处理、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。
2.感知控制的应用
(1)生活:控制应用到生活中,提高了人们的生活质量,人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境,使之能满足自身的需要。
(2)生产:生产中往往需要对温度、湿度、压力、速度及工件加工动作等进行控制,控制在生产中得到了极为广泛的应用。
(3)军事、国防:控制在军事、国防等领域也有着广泛的应用。例如,精密制导武器能够对目标进行精准打击,火箭能将人造卫星准确送入太空预定轨道。
二、开环控制系统的工作过程
1.理解控制系统
控制系统的含义:任何控制都要通过若干个环节来实现,这些环节所涉及的装置构成了一个系统,称为控制系统。
2.分析开环控制系统的工作过程
(1)开环控制系统的含义: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称为开环控制系统。系统的输出量仅受输入量控制,输入量到输出量之间的信号是单向传递。
(2)开环控制系统的方框图如下:
(3)开环控制系统的基本组成
输入量:控制系统的给定量。
控制器:对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器:直接对被控对象进行控制的装置或元件。
控制量:执行器的输出信号。
被控对象:控制系统中所要求控制的装置或生产过程。
输出量:控制系统所要控制的量。
三、闭环控制系统的工作过程
1.解析闭环控制系统的工作过程
(1)概念:把系统的输出量返回到输入端,并对控制过程产生影响的控制系统。
基本组成:与开环控制系统相比,闭环控制系统多了一个检测被控量的检测装置和比较器,其本质是闭环控制系统比开环控制系统多了一个由检测装置组成的反馈通道。
提示:当需要区分开环控制系统和闭环控制系统时,如果没有检测输出量(被控量)的控制系统一定是开环控制系统。例如,定时、报警之类的控制系统。
(2)简单闭环控制系统的方框图如下:
(3)闭环控制系统的基本组成
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。
控制量:执行器的输出信号。
被控量:闭环控制系统的输出量。
给定量:控制系统所要达到的目标值。
2.辨析反馈在控制系统中的作用
(1)反馈的含义: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。
反馈方法:利用反馈来分析和处理被控对象,通过系统的输出来调整系统的行为,使系统沿着预期的目标运行。
(2)干扰因素:在控制系统中,除输入量(给定值)以外,引起被控量变化的各种因素都可以视为干扰因素。干扰因素不仅是外界对控制系统的影响,同时也包括控制系统内部对控制的影响。
在一般控制系统中,干扰因素是需要克服的,在有些情况下,可以利用干扰因素实现某种目的。
注意以下几点:
①来源问题。有的干扰因素是环境造成的,如影响自行车行驶速度变化的自然风等;有的干扰因素是人为原因所致,如把电冰箱门打开取放物品对温度控制的影响,把抽水马桶的水放掉对水位控制的影响等。
②数量问题。在控制系统中,干扰因素可能有一个,也可能有若干个。
③处理问题。对于大多数控制系统,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。
(3)闭环控制系统与开环控制系统的比较
项目 开环控制系统 闭环控制系统
定义 输出量不对系统的控制产生任何影响 输出量返回到输入端,对系统控制产生影响
有无反馈 无 有
能否自动调整和补偿 否 能
能否抗干扰 否 能
控制精度 比较低 高
结构 简单 相对复杂
适用场合 控制精度要求不高而系统 本身的元件又比较稳定的场合 要求高精度和高可靠性的场合
(4)黑箱方法:把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。
四、控制系统的设计与实施
1.探究控制系统的设计要素
(1)控制系统设计要求
①明确控制的目的 ②分析被控对象的主要特性 通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性,从而确定控制器的运算方式
③确定被控量、控制量 (控制方案的关键) a.简单控制系统中,需要控制的量往往被确定为被控量。
b.控制量应选择可控制的、对抑制干扰因素和保持系统稳定有明显作用的量
④分析主要的干扰因素 一个控制系统中可能存在若干个干扰因素,需要分析主次,找出对系统影响最大的干扰因素
⑤执行器、检测器的选择 a.根据被控量和控制量的需求。
b.根据控制的条件进行
⑥控制系统的方案选择 能达到控制的目的,采用易于实现的控制方式,降低控制成本,减少对环境的负面影响等,是进行控制系统设计和方案选择中必须要考虑的基本问题
⑦实施控制系统所需的设备、元器件等 ⑧控制系统的调试、运行和评价 ⑨控制系统的成本分析 (2)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。
2.闭环控制系统的设计
对于简单的闭环控制系统的设计,有以下基本要求:
(1)一个闭环控制系统要正常工作,首先必须是稳定的。
(2)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值之差应控制在允许的范围之内。
(3)闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
典例变式
[典例1] (2025·浙江6月选考)如图所示是一种鲐鱼鱼体姿态控制系统的示意图,其工作过程是:鱼体以随机姿态逐条送入传送带,ARM单片机根据工业相机采集的鱼体图像判断出鱼体姿态,并发送信号给Arduino单片机。当光电传感器检测到鱼体到达作业位置时,发送信号给Arduino单片机,Arduino单片机结合鱼体姿态,通过继电器模块驱动电磁阀来控制相应机构将鱼体调整成设定姿态。下列从控制系统角度进行的分析中,恰当的是
(　 　)
A.控制量是鱼体的设定姿态
B.被控对象是鱼体
C.控制器是ARM单片机
D.光电传感器起反馈作用
B
解析:本题考查控制系统的工作过程和组成部分。该控制系统根据工业相机获取的鱼体图像和设定姿态图像比对,最后将鱼体调整成设定姿态,光电传感器的作用是检测到鱼体到达作业位置,没有参与鱼体姿态的检测及反馈,因此D选项是错误的。ARM单片机只判断鱼体姿态,再发送信号给Arduino单片机,由Arduino单片机发送控制命令给继电器模块,因此ARM单片机不能被认为是控制器,选项C错误。控制量是翻转机构的转动量,选项A错误。该控制系统最终实现鱼体姿态的调整,所以鱼体姿态属于被控量,鱼体属于被控对象。
[变式1] (2023·浙江1月选考)如图所示的装配系统,包含工件输送子系统和机械手装配子系统,其工作过程:工件A整齐排列在传送带Ⅰ上,当位置检测传感器检测到工件A时,传送带Ⅰ暂停;工件B放置在传送带Ⅱ上,当工件B进入相机的拍摄范围时,传送带Ⅱ暂停;相机拍摄工件B的图像并传送到工控机,工控机根据工件B相对于基准位置的偏差确定工件B的坐标,控制机械手抓取工件A并装配到工件B上。
下列关于机械手装配子系统控制的分析中合理的是(　 　)
A.装配速度是该装配子系统的被控量
B.基准位置的调整是工件装配的干扰因素
C.相机拍摄的工件B的图像信息是输入量
D.把工件A装配到工件B的过程采用了闭环控制方式
C
解析:本题考查简单控制系统基本组成和工作过程,对干扰因素的理解,以及开环和闭环控制方式的区分。机械手装配子系统的控制方框图如下:
选项A,装配子系统的被控量是工件A被装配到工件B上,装配速度不是该子系统的最终控制目的,其目的应该是将工件A准确装入工件B,所以装配速度不是被控量;选项B,基准位置的调整不会影响确定工件B的坐标,也不会影响最后将工件A装配到工件B上,即不会对输出量造成影响,因此基准位置的调整不属于干扰因素;选项C,相机拍摄的工件B的图像信息属于输入量;选项D,题干的描述是根据拍照得到的图像,由工控机控制机械手抓取工件A并装配到工件B上,如果拍照后工件B位置发生变化,将无法完成控制,系统没有需要保持恒定的量,不存在反馈,因此该装配过程采用的是开环控制方式。
[典例2] (浙江选考真题)如图所示是一种钢板剪切机的控制示意图,剪切机构安装在切台上。其工作过程:上下送料轮推动钢板向前移动时,测量轮采集送料速度和长度信息,控制器根据接收到的信号控制剪切机构切断钢板,得到所需要的长度的板料。请根据示意图和描述,完成以下任务:
(1)系统设计时,需要对送料速度、剪切刀的剪切速度等参数进行建模和定量分析,体现了系统分析的　　　(在“A.整体性原则;B.科学性原则;C.综合性原则”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处);
B
解析:(1)系统设计者在设计系统时,对各种参数进行建模和定量分析,使决策过程和结果更具说服力,这体现了系统分析的科学性原则。
(2)要保证送料轮能顺利送料,合理的措施是　　　(在“A.使送料轮在钢板上施加足够大的压力;B.增大送料轮的转速;C.在送料轮与钢板之间加润滑油;
D.使上下送料轮转向相同”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处);
A
解析:(2)要保证送料轮能顺利送料,使送料轮在钢板上施加足够大的压力,这能增大送料过程中的最大静摩擦力,使得送料更稳当,A符合要求;增大送料轮的转速和在送料轮与钢板之间加润滑油这两个操作都可能出现送料时打滑,B、C不符合要求;使上下送料轮转向相同则不能实现送料功能,D不符合要求。
(3)不属于剪切长度控制系统干扰因素的是　　　(在“A.所需板料长度的改变;B.测量轮工作表面磨损造成的直径减小;C.控制器输出信号异常”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处);
A
解析:(3)剪切长度控制系统是开环控制系统。A所需板料长度的改变是该系统的输入量,不属于干扰因素,属于正常的控制过程;B测量轮工作表面磨损造成的直径减小会导致检测长度不准确,不是设定的长度,所以属于干扰因素;C控制器输出信号异常会导致对长度的判断不准确,不是设定的长度,所以属于干扰因素。
(4)为了实现剪切钢板时连续送料,提高生产效率,合理的措施是　 　(在
“A.剪切的瞬间降低送料速度,剪切完成后恢复到原送料速度;B.剪切机构随钢板同步移动的过程中剪切钢板,剪切完成后快速回移;C.剪切机构不随钢板移动,提高剪切刀的剪切速度”中选择合适的选项,将序号填入“　　”处);
B
解析:(4)A选项剪切的瞬间降低送料速度,剪切完成后恢复到原送料速度,这样会有一小段时间耽误掉;B选项剪切机构随钢板同步移动的过程中剪切钢板(这个可以与正常剪切时间一致),剪切完成后快速回移(这个操作可以减少剪切时间);C选项剪切机构不随钢板移动,提高剪切刀的剪切速度,这样处理可以缩短裁剪时间,但是缩短的时间很短,远不如B选项。
(5)题图虚线框中需要安装一对剪切刀,下列关于剪切刀的形状和布置方案中合理的是　　 (在下列选项中选择合适的选项,将序号填入“　　　”处)。
D
解析:(5)图A、B中上下两部分对齐,使钢板受压,而不是受剪切,错误;图C会使钢板弯曲,错误;图D是使钢板受剪切的典型例子,两力反向,紧贴但是错位,正确。
[变式2] (浙江选考真题)如图所示为钢制滚柱自动分选控制系统,其工作过程:PLC控制气缸使推杆运动,推动滚柱至测量位置,传感器测量头下移压住滚柱进行直径测量;PLC根据测定的直径值控制相应容器的电磁翻板开启,并使限位挡板下移,推杆推动滚柱落入容器中。请根据示意图和描述,完成以下任务。
(1)该系统的控制方式属于　　　　(在“A.开环控制;B.闭环控制”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处);
A
解析:(1)钢制滚柱自动分选控制系统输出量为滚柱落入相应的容器中,它没有检测输出量,所以是开环控制系统。
(2)系统设计时要对气缸、电磁翻板等的工作参数进行计算和反复调试,体现了系统分析的　　　　(在“A.整体性原则;B.科学性原则;C.综合性原则”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处);
B
解析:(2)系统设计时需要对气缸、电磁翻板等的工作参数进行计算和反复调试,体现了系统分析的科学性原则,科学性原则要抓住严格的步骤、科学的方法、数学工具三个关键词语。
(3)下列不属于该控制系统干扰因素的是　　(在“A.滚柱直径的变化;B.测量头的磨损;C.PLC输出信号异常”中选择合适的选项,将序号填入“　　 ”处);
A
解析:(3)干扰因素的定义是除了输入量以外能引起被控量变化的因素,滚柱直径的变化属于输入量,所以不是干扰因素;测量头的磨损和PLC输出信号异常都会引起输出量变化,又不是输入量,因此是干扰因素。
(4)小明设计了四种结构的电磁翻板盖,其中合理的是　　　　(在下列选项中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处);
C
解析:(4)图B和图D都被卡住打不开;而图A可以转动几乎180°,这样可能挡不住滚落的滚柱,因此选C。
(5)为防止电磁翻板盖生锈,下列表面处理方法中合理的是　　　　(在“A.锉削;B.电镀;C.砂纸打磨”中选择合适的选项,将序号填入“　　　　”处)。
B
解析:(5)锉削和砂纸打磨后还会生锈,而电镀上一层不生锈的金属就可防止生锈。
[变式3] (2024·浙江6月选考)如图所示为教学楼的走廊,小明发现晚上没人时灯也亮着,于是准备制作声光控开关,并用其控制吸顶灯。天黑时检测到一定响度的声音灯就亮。请完成以下任务:
(1)小明发现问题的途径是　　　(单选)。
A.观察日常生活
B.收集和分析信息
C.技术研究与技术试验
A
解析:(1)本题考查发现问题的途径与方法。在设计的一般过程中,发现问题的途径与方法有三种,即A观察日常生活;B收集和分析信息;C技术研究与技术试验。本题中的问题是生活中随处可见的,所以应该选择选项A。
(2)为了设计制作声光控开关,小明进行了以下分析,其中不恰当的是
(单选)。
A.首先应满足功能要求,再考虑成本及制作难易程度
B.应具有一定的抗干扰能力
C.光线足够暗或检测到超过设定响度的声音后,灯应立即亮
D.声音消失后,灯应延时熄灭
C
解析:(2)本题考查设计一般过程中明确问题与设计分析。A选项首先应满足功能要求,再考虑成本及制作难易程度,选项A正确;B、D选项是设计分析中“物”的因素,即产品的功能,选项B、D正确,选项C中光线足够暗或检测到超过设定响度的声音,与题中的条件不符,选项C不恰当。
(3)实际使用中发现,天黑有汽车喇叭声时,灯也可能点亮。在该控制系统中汽车喇叭声　　　干扰因素。
A.属于 B.不属于
B
解析:(3)本题考查控制系统的干扰因素。要明确控制系统中干扰因素的含义,除了输入量以外,凡是引起被控量(输出量)变化的因素都是干扰因素。题中的控制系统在“天黑有汽车喇叭声时”这个触发条件下,灯也是可能点亮的,这个条件正是该控制系统的设定输入量,所以不属于干扰因素,故选B。
(4)小明准备用人体感应模块替代声音传感器,天黑检测到人体热辐射信号时,灯就点亮。以下是小明绘制的控制系统方框图,其中正确的是　 (单选)。
B
解析:(4)本题考查控制系统的工作方式的判定。用人体感应模块替代声音传感器后,输入量除了有光信号,还有人体热辐射信号,并且这个控制无反馈,是开环控制。故选B。
1.如何确定执行器和被控对象
重难拓展
执行器 执行器与被控对象是因果关系,因为执行器把控制量给了被控对象才使得被控对象的输出量发生变化,而且控制量还有一个特点,即是可以量化的物理量。例如宾馆自动门,它的执行器就是电动机,正是因为电动机的正转和反转才使得自动门打开或关闭
被控对象 控制是实现人们的期望——让某个事件出现期望状态或其相应物理量稳定在某一区间内。人们的期望就是控制目的所在,而这个事物或设备装置就是被控对象。控制三要素里的控制对象和被控对象是一回事。可以“根据目的找对象”。具体来说,可以先找到或厘清题干所给控制系统的控制目的。控制目的中的期望事物就是被控对象,也叫控制对象。如安装红外线自动门的人们希望在有人
(输入信号)靠近门时门自动打开,人通过或离开后自动关上。这两个控制目的中,被期望的事物是“门”,即是被控对象。怎么去打开这扇门则是控制手段。此外,要注意被控对象区别于输入设备或给出输入信号的事物。比如上面例子里靠近门的人不是控制对象,他们只是给出控制输入信号的事物
2.“干扰”与“反馈”
(1) 要明确产生干扰和受到干扰是两码事。除了输入量之外的一切会对被控量产生影响的因素都是干扰因素。对控制系统而言,它会受到各种各样的干扰使输出量受到影响,系统本身也会产生干扰,不管有无反馈。干扰的产生最多还是外来的,如“周围环境”或“人为施加的”,干扰的产生不受系统制约或控制
(2) 有反馈是指系统检测了输出量并时时返回到输入端与给定量比较并对控制产生影响,使输出量与给定量之间的偏差值较小。所以闭环控制系统还是会受到干扰,只是有反馈能让输出量接近给定量
(3) 闭环和开环都有干扰,只是闭环具有反馈环节,所以具有一定的抗干扰能力。开环由于没有反馈环节,所以不具有抗干扰能力
3.如何选择传感器
(1) 弄清楚到底需要检测哪个量,是闭环的输出量还是开环的输入量
(2) 清楚这个量是测哪类物理量。例如需要测的是水位,就用水位传感器
(3) 如果没有直接测量该类量的传感器,看看是否能转换成相近的某类物理量进行测量,可以通过换算间接得到
4.开环控制系统与闭环控制系统的对比
项目 开环控制系统 闭环控制系统
相同点 均包含被控对象、控制器、执行器、控制量、输入量(给定量)、输出量(被控量)等组成成分 不 同 点 ①组成 相对于开环控制系统,闭环控制系统增加了检测装置和比较器 ②特征 输出量仅受输入量控制 根据被控量与给定量间的偏差控制系统的运行 ③信号传递 单向传递 双向循环传递 ④控制精度 较低,需人工控制辅助 较高,能通过反馈克服干扰,使被控量控制在给定值附近 判断 方法 ①根据定义判断 输出量对控制系统的工作不产生影响的是开环控制系统,输出量影响控制系统工作状态的是闭环控制系统
②根据反馈的有无判断 开环控制系统不存在反馈,闭环控制系统存在反馈
③根据输入,输出判定 闭环控制系统的输入量和输出量是同一类型的量,即输出量、输入量能够相加减
5.控制系统各部件和量的确定,即“方框图法”
采用方框图对控制的过程及控制的流程进行表述,可以准确地推断出控制的方式和组成。在完成方框图时要认真审题、抓住关键信息,解题步骤分为以下6步:
(1)首先画出三个框、四个箭头。
(2)先填上被控对象 。
根据题干的描述,确定控制系统的目的(即设计者期望达到的目标),根据控制的目的界定被控对象,被控对象一般会在题干描述的控制系统名称中出现。
(3)再填上输入量 、输出量 。
(4)确定控制方式(开环控制/闭环控制)。
①如果输入量和输出量类型不同,则是开环控制,再继续(5)(6)即可完成。
②如果输入量和输出量类型相同,则是闭环控制,在下面补画一个框、最左端补画 和箭头,然后再继续(5)(6)即可完成。
(5)确定执行器 和控制量 。
确定了被控对象后,再确定执行器,执行器是能够对被控对象的输出量产生影响的装置。
(6)确定控制器 。
确定了执行器后,再确定控制器,控制器是能够对输入信息进行处理并做出判断,并根据判断的结果下达指令给执行器的装置
感谢观看

展开更多......

收起↑