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第四章 控制与设计
肥城一中
2010年 5月
学习目标
⒈ 积极观察生活，能从生活中所遇到的和所观察到的事物中识别各种受控现象和受控过程，理解控制的含义。
⒉ 能够分析典型的案例，了解手动控制和自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
⒊ 通过案例分析，能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用，熟悉反馈环节的作用。
⒋ 通过案例分析，找出并分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素，了解功能模拟方法和黑箱方法在控制系统中的应用。
⒌ 结合一定的案例，了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，划出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计方案。
⒍ 能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置，或根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行，提出改进方案。
（导入）：
我国古代有一种靠风力来推动的风磨，当风力强的时候，磨盘就转得快，当风力弱的时候，磨盘就转得慢。那么，怎样才能根据风力的大小，往磨盘上添加谷物呢？对此，人们设计了一个漏斗：当风磨转动慢的时候，这个漏斗会自动地缩小漏口，使少量的谷物流进磨盘；当风磨转动快的时候，这个漏斗会自动地张大漏口，让较多的谷物流进磨盘。
这个巧妙的漏斗在今天看来，是一个古老的控制装置，体现了人们认识并利用控制现象的久远。事实上，控制并不是人类的天外来客，它渗透在我们生产和生活的方方面面。理解控制、善于控制，已经成为我们每个人日常生活中不可或缺的基本能力。
1 控制
人们根据自己意愿或目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制（control）。这里所说的手段就是控制技术。如：射手通过瞄准使箭射中靶心；人们通过电冰箱获得适当的温度，使食物能够长期存放；先进的生产流水线通过计算机的指挥实现自动化生产等。
注意：理解任何控制现象，都要明确控制的对象是什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手段。例如：在人力三轮车转弯过程中的方向控制问题中，其控制的对象就是人力三轮车，控制的目的是为了改变三轮车行驶的方向，控制的手段是骑车人通过双手转动车把，改变前轮的方向并带动后轮。
按人工干预来分：人工控制
自动控制
按执行部件来分：机械控制
气动控制
液压控制
电子控制
控制的含义：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。
控制的手段
（1）从控制过程中人工干预的情形来分
A 人工控制：控制的过程是在人的直接干预和全程干预下进行的。如：人工纺纱、普通自来水龙头、掀按钮打开电灯、拖地清洁地板、驾驶汽车等
B 自动控制：是指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确的按照期望的方向进行。如：数控机床、饮料自动装罐生产线，花房恒温控制、十字路口红绿灯的转换、通过电视更换节目频道、联合收割机割麦子等。
（2）按照执行部件的不同分为：
A 机械控制：普通水龙头、电饭煲等
B 气动控制：化工生产中常见的气动阀门、公共汽车车门开关控制等
C 液压控制：建筑工地打桩机、修理汽车用的液压千斤顶等
D 电子控制：电子计算器、家用电冰箱、自动门和汽车自动变速器的电子控制装置等
3 控制系统
任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节构成一个系统，我们称之为控制系统。控制系统通常分为开环控制系统（open loop control system）和闭环控制系统（closed loop control system）两种。
简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括反馈环节与比较环节。
开环控制系统：
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。
2.案例：红绿灯定时控制系统、防盗报警控制系统、火灾自动报 警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、红外线自动门控制系统、普通电风扇风速控制系统、可调光台灯控制系统等。
3.特征：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。

开环控制系统：
控制器
执行器
被控对象
输入值
输出值
控制量
4.控制系统框图
例题1
自动门的控制系统
控制
器
输入量
输出量
执行
器
被控
对象
控制量
红外装置是否发出的信号检测到人体辐射
控制电路
电机
自动门
门的开启和关闭
方便人们的出入，医院手术室、银行或宾馆，当人走进大门时自动打开。
原理是：当人走进门时，门上的红外装置检测到人体热辐射发促的红外信息，控制电路接收到该信号后，便会发出相应的指令，启动电机运转，从而带动门自动开启（或控制气动装置,使门向两边打开）。当门开启后，控制电路将作出判断，如果没有人在四周，就通知电机做反向运转，使门关闭。
例题2
根据消防要求，仓库、图书馆都需要安装火灾自动报警系统。如有火灾发生，感应探测器检测到发生火灾室内浓烈的烟雾，从而报警。画出火灾自动报警控制系统的工作过程方框图。指出方框图的各个环节的具体内容和输入量、输出量、控制量
控制系统框图
控制器
输入量
输出量
执行器
被控对象
控制量
烟雾
信号
感烟探测器（感温）探测器
报警控制电路（器）
部件：警铃、讯响器、报警灯
练习1.
如图：
图中是声控灯系统组成示意图，根据你的理解和认识回答下列问题。
⑴声控灯的优点有哪些？
⑵如果声控灯的附近并没有来人，而出现意外的声响，如楼上或隔壁有人高声说话或以动作发出声响，灵敏度高的声控灯也会应声而亮。为避免这种情况你有什么好办法？⑶画出声控灯的系统框图。
答案提示：
⑴ 关键词：方便、节电
用墙上的开关去开灯或关灯，已是习以为常的事。但是，在一个黑暗的走廊里用手摸索着寻找电灯开关很费事，对外来的生人更是难事；另外，人走了不关灯是常有的事，形成长明灯，浪费电力。
声控灯具有特殊功能与应用。比如，在公共楼道里安装声控灯既方便又省电。
所谓方便是指来到楼道里的人，只需发出一定量的声响（如咳嗽一声，排一下掌，跺一下脚）电灯就会自动点亮，而无需去找墙上的手操开关。所谓节电是指过了一小段时间，电灯又会自动熄灭，没有人的时候，电灯处于熄灭状态，不会出现长明灯。
（2）把传感器的灵敏度调小一点。
（3）系统框图
练习2
开环控制系统可用下面方框图来描述。
试列举出几种常见的开环控制系统。
答：⑴水泵抽水控制系统
农名种庄稼，“靠天吃饭”天气干旱，收获困难。水泵就是解决这个问题。当需要灌溉农田时，只要接通电源，电机就带动水泵工作，将水从水源处抽到干旱的农田里。
控制
器
输入量
输出量
执行
器
被控
对象
控制量
接通
电源
电机
水泵
水泵
水管
水管
排水
⑵.普通家用电饭煲的煮饭控制
接通电源（输入）
电饭煲
电热盘
饭熟保温
例: 电子门铃的开环电子控制系统
输入:
控制(处理):
输出:
用手按动按钮开关,输入一个触发信号
音乐集成电路经过触发后工作,
产生一组载有”音乐”的电信号.
扬声器将电信号转变为音乐声.
遥控器控制电视系统
骑自行车加速的控制
控制框图：
带动
自行车
传动系统
脚踩的力
后轮
加速运动
操纵
110控制中心
报警控制器
110报警
警员系统
出车处理
闭环控制系统：
1.概念：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。
例：供水水箱的水位自动控制系统、加热炉的温度自动控制系统、花房温度控制系统、投篮、家用电饭锅保温控制系统、家用电冰箱温度控制系统等。
2.基本组成：与开环控制系统相比，闭环控制系统多了检测装置比较器。
3.控制系统框图
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
输入量
输出量
控制量
比较器
4． 闭环控制系统的特征
在系统的输入量和输出量之间，还有一条从输出量返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路，反馈环节使得输出量的改变对控制的过程产生直接影响。
5.开环控制闭环控制系统两者的比较
（1）开环：
（2）闭环：
控制器
执行器
被控对象
输入量
输出值
控制量
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
输入量
输出量
控制量
比较器
6.闭环控制系统的干扰与反馈
（1）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称为干扰因素。
有的干扰因素是环境造成的，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。
（2）反馈的含义：
控制系统中，将输出量通过适当的检测装置，返回到输入并与输入量进行比较的过程，就是反馈。
例：投篮、自动电水壶
（3）反馈环节的作用：
通过将输出量通过适当的检测装置，返回到输入并与输入量进行比较，从而减少输出量的偏差，稳定输出量。
7.闭环控制系统的工作过程：闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控制量（输出量）的偏差。
8.工作过程：（1）由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时；（2）闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较；
（3）控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而是系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。
例题
1.游泳池水位控制
2.篮球比赛运动员投篮工作过程
3.水箱水位控制
水箱水位控制
4.人体温度控制系统
家用电冰箱的结构和制冷原理图
组成：压缩机、冷却器和散热器，它们之间用一根管道相连。
管道里装有一种沸点很低的制冷剂。压缩机在管道的底部，它使制冷剂不断地在管道里循环。制冷剂流动到狭窄的毛细管时，受到强大压力，由气态变成液态，通过散热器对外放出热量。当制冷剂通过较粗的管道组成的冷却器时，由于压力突然降低，制冷剂由液态立即变为气态，从而吸收电冰箱内的热量，使电冰箱内的温度降低，达到制冷的效果。
5.家用电冰箱的闭环电子控制系统
控制(处理)
(电子电路)
（微型电脑）
输出
(继电器)
被控对象
(冷藏室)
输入
预置温度调节装置
比较器
检测
温度传感器
反馈
补充材料
功能模拟法以功能和行为的相似为基础，用模型模拟原型的功能和行为的方法。它为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。如：猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的。再如：在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维与人下棋。
黑箱方法是把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统的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。在生活中有时我们需要认识对象的内部无法打开或不便打开时这时我们可以通过观测和考察它的输入与输出的关系来推测其内部的特性和功能，如：中医看病通过“望闻问切”来了解病人的病况，最后对病情作出判断。
再如：夏天买西瓜可以通过看瓜形、看瓜色、听瓜声、测弹性来判断西瓜的生熟。这些事例都没有打开事物直接观看内部结构，而是通过观察外部或试验等方法来认识事物的。
马上行动
（1）找出身边开环电子控制系统和闭环电子控制系统的例子。
开环电子控制系统：电熨斗、电子门铃、电子调光台灯、电子手表、程序控制洗衣机、带遥控电视机
闭环电子控制系统：空调机、电冰箱、智能电饭煲、现代化农业温室
（2）闭环电子控制系统与开环电子控制系统相比有什么优点？
闭环电子控制系统具有监测和反馈功能，可以提高控制的精度，而且实现控制的自动化。
这是闭环系统吗？
同学们几乎每天听着扩音机里播放的音乐做广播体操，但扩音机从未引起大家的注意。学习了上面的内容后，“扩音机是一个什么电子控制系统”引起了全班同学的热烈讨论。
正方：扩音机是一个开环电子控制系统
反方：扩音机是一个闭环电子控制系统
分析评判：
闭环电子控制系统必须符合两个条件：
（一）它的核心是电子技术；
（二）有反馈。反方把人划入控制系统，这个控制系统的核心就不单单是电子技术，故不能称为闭环电子控制系统。但因为存在反馈，可称为闭环控制系统
练习根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、判断，在你认为正确的表格中打
开环电子控制系统 闭环电子控制系统
电子表
电取暖系统
空调
程序控制洗衣机
可调亮度的台灯
智能洗衣机
电热水器

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