資源簡介

(共57張PPT)
第四章　控制與設計
課程目標：
1、了解人工控制、自動控制，熟悉簡單的開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程 ；
2、能畫出一個簡單的閉環控制系統的方框圖，理解其中的控制器、執行器等環節的作用，熟悉反饋環節的作用 ；
3、能結合案例找出影響簡單控制系統運行的主要干擾因素，并作分析；
4、了解簡單的被控對象的基本特性，能確定被控量、控制量，畫出控制系統的方框圖，并形成初步的控制設計的方案。
重點與難點
開環控制系統和閉環控制系統的基本組成和簡單的工作過程。
控制是根據自己的目的，通過一定的手段使事物沿著某一確定方向發展的行為和過程。
控制的涵義
例如：射手通過瞄準，使箭射中靶心。
1、控制的對象是什么
理解控制現象，需要明確：
2、控制要達到什么目的
3、采取什么控制手段
控制事例 控制的對象 控制的目的 控制的手段
大禹治水
電風扇扇葉轉速快慢的控制
ABS防抱死系統
洪水
安息洪波、大治水患
疏通河道，泄洪為主
電風扇
調節速度
換擋
剎車片
防止車輪抱死發生側翻
液壓電控
馬上行動
控制的實現需要通過一定的手段。從控制過程中人工干預的情形來分，控制有人工控制和自動控制。
控制過程是在人的直接干預和全程干預下進行的。
關/開 門
駕駛汽車
人工控制
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。
太陽能路燈
自動門
自動控制
請說說你所了解的人工控制和自動控制的事例。
馬上行動
日常生活中的控制舉例
（１）自動門的工作過程
（2）自動門控制系統框圖
輸入
輸出
開環控制系統的含義
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。
輸入
輸出
控制器
執行器
被控對象
輸出量
控制量
控制電路
電機
自動門
人體熱輻射
紅外傳感器
開或關
轉動
開環控制系統方框圖
輸入量
傳感器
對“自動門”的擴展探究三例：
①自動門模型前開過一輛汽車模型，自動門會不會打開？
②怎樣讓汽車開過自動門口時，自動門會打開？
③如何將自動門裝置改為汽車車庫中的自動門？
開環控制系統的特點：
1、系統的輸出量直接受輸入量的控制；
2、信號（或信息）的傳遞是單向的，總是從輸入端單向傳至輸出端。
下圖是一個典型的閉環控制系統——水箱水位的閉環控制系統
注入水流量
進水閥門
浮子
水箱
桿杠
實際水位
給定水位
注入水流量
控制方框圖：
傳感器
控制器
執行器
對象
人工
控制
人眼 人腦
和手 進水
閥門
水箱
自動
控制
浮子 連桿
機構 進水
閥門
水箱
水箱水位兩種控制方式比較
環節
方式
游泳池注水控制系統方框圖：
簡單閉環控制系統的方框圖：
被控對象
執行器
控制器
給定量
控制量
被控量
檢測裝置
比較器
-
+
游泳池
進水閥門
控制器
給定水位
水流量
游泳池的水位
（輸出）
檢測裝置
比較器
+
-
閉環控制系統
閉環控制系統
定義：
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稱為閉環控制系統
如何判斷開環控制系統與閉環控制系統
誤區：自動的控制系統是閉環控制系統；
只要有檢測裝置就是閉環控制系統；
基本概念：
開環控制系統是由輸入來控制輸出的單向控制；
閉環控制系統是輸出量反饋回輸入端參與控制的控制系統；
如何判斷開環控制系統與閉環控制系統
開環控制的特點：
1、它是單向的控制過程；
2、輸入量與輸出量往往是不同性質的量。
閉環控制的特點：
1、有反饋；
2、會調整；
3、“結果”會影響“結果”；
4、給定量與被控量是可比較的同一種性質的量。
這是閉環系統嗎？
同學們幾乎每天聽著擴音機里播放的音樂做廣播體操，但擴音機從未引起大家的注意。學習了上面的內容后，請大家思考：
擴音機是一個什么控制系統？
簡單的控制系統由兩部分組成，即被控對象和控制裝置。其中的控制裝置，包括傳感器、控制器、執行器等環節，對于閉環系統來說，還包括反饋環節與比較環節。
控制系統的基本組成
根據開環電子控制系統和閉環控制系統的區別進行分析、判斷，在你認為正確的表格中打“ ”
開環電子控制系統 閉環電子控制系統
電子表
電取暖系統
空調
程序控制洗衣機
可調亮度的臺燈
智能洗衣機
電飯煲煮飯
練習
輸入量
（接通電源）
控制器
（控制電路）
執行器
（水泵）
被控對象
（水管）
輸出量
（水管排出水）
控制量
（水流量）
輸入量
（開、關）
控制器
（控制電路）
執行器
（執行活塞）
被控對象
（車門）
輸出量
（車門的開或關）
控制量
（壓縮空氣流向）
控制器
（大腦）
執行器
（手）
被控對象
（籃球）
被控量
（籃球位置）
給定量
（籃圈位置）
檢測裝置
（眼睛）
控制量
（投擲力）
比較器
每天上學騎自行車的感受？乘車的感受等？
干擾與反饋
案例：逆風中騎自行車
腳踩的力
自行車
行使的速度
風
給定量
被控量
逆風、順風、上坡路……
什么是干擾因素：
1.干擾因素的概念：
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（interference）因素。
干擾
討論：
生活中還有哪些例子說明“控制系統的干擾是存在的，是不可避免的”？
馬上行動
在電冰箱的溫度控制系統中，下列情況是否屬于影響其溫度控制的干擾因素？
（1）開電冰箱門。
外面熱氣進入冰箱將會引起箱內溫度變化，屬于干擾因素。
（2）電冰箱所在房間的溫度從20℃變到32℃
屬于干擾因素。
（3）把熱菜或熱飯放入電冰箱中。
屬于干擾因素。
（4）在冰箱外放一盆冷水。
嚴格說這也會引起環境溫度的變化，但這種變化一般有利于冰箱實現目標，不屬于干擾因素。
案例分析
電視機的工作。
電視機出現畫面紊亂的現象往往是由于受到外界磁場干擾。
比如：近距離擺放的電冰箱、空調器、電風扇、日光燈等等。他們就是電視機正常工作的干擾因素。
克服這些干擾的辦法就是將家用電器遠離電視機放置。
2.克服干擾的基本方法：
A、消除干擾
在飛機上不能使用通信工具
B、減弱干擾
電器在使用時遠離其它電子設備
C、提高控制系統性能
采用閉環控制系統
3.干擾因素的特點：
（1）干擾既存在于閉環控制中，也存在于開環控制中。
聲控燈開環控制，除輸入的聲音外，其他聲音就是其干擾因素；
空調房的溫度控制屬于閉環控制，室外環境溫度的變化就是它的干擾因素。
（2）通常，干擾因素都是作用在控制對象上，其作用是破壞控制系統的平衡——使被控量偏離平衡值。
（3）通常，干擾因素不止一個。如自行車速度控制的干擾因素除逆風外，還可能有路面狀況（斜坡、粗糙度）。
（4）在進行控制系統設計時，必須對可能存在的干擾進行全面的調查和分析.
如果干擾比較經常和嚴重，對控制目標影響產生嚴重的后果，就必須考慮抗干擾措施，保證控制系統的正常工作；
如果可能存在的干擾不是很嚴重，對系統正常工作影響不大，就可以忽略。
因為任何抗干擾措施的實現，都意味著系統結構的復雜和成本的增加。
（5）對干擾的利用，
是指有意對控制系統施加干擾，
使控制系統無法達到控制的目標，而不是控制系統本身需要干擾。
例如：打狂犬疫苗、軍事演習中對敵方信息指揮系統進行電磁波干擾。
反饋
1.什么是反饋（feedback）？
控制系統中，將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程就是反饋（feedback）。
[游戲]：在黑板上畫兩張大臉，“四官俱全”，沒有鼻子。然后請一個同學上來“填”眼睛，閉著眼睛畫，位置不對,也不好看。睜著眼睛畫，漂亮。
控制過程中，沒有反饋環節，不能對控制結果加以修正、調節。
單向， 這是開環控制。
◆ 閉著眼睛畫：
◆睜著眼睛畫：
人腦控制手畫眼睛，在此過程中，眼睛可以把手的位置及畫的效果及時反饋給大腦，使得大腦準確精細的控制手去畫好眼睛?？刂屏飨蛐纬闪碎]合回路。這是閉環控制。
鼻子的 位置
被控對象
給定值
干擾
反饋環節
控制器
執行器
比較器
被控量
+
-
2.閉環控制系統的工作過程
閉環控制系統就是系統的輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程產生影響的控制系統。
閉環控制系統是通過反饋環節克服干擾因素而使系統達到穩定。
閉環控制系統受影響較小，因為閉環控制系統能不斷修正控制效果。
思考與分析
在出現干擾的情況下，開環控制系統和閉環控制系統哪種受干擾的影響??？為什么？
1.繪制框圖的方法：
⑴按下面的順序確定系統各個環節
a —— 被控對象
b —— 執行器
c —— 控制器
d —— 反饋環節（對閉環而言）
控制系統框圖
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
輸出量
輸入量
b
a
c
d
1.繪制框圖的方法：
⑵確定被控量（輸出量）、控制量、輸入量、反饋量和偏差量。
⑶用帶箭頭的直線表示信息在系統中流動、傳遞的方向與過程。
⑷加上比較環節（閉環）
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
輸出量
輸入量
b
a
c
d
控制量
控制系統框圖
2.繪制技巧：
自右往左畫：先畫被控對象，再畫執行器，接著畫控制器、反饋環節，最后畫 。連線閉環，并標注各量。
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
輸出量
輸入量
b
a
c
d
控制量
控制系統框圖
框圖
表示
控制器
執行器
被控對象
輸入量
被控量
控制量
1、開環
2、閉環
反饋環節
控制器
執行器
被控對象
給定值
輸出量
控制量
比較器
干擾
干擾
控制系統框圖
框圖
表示
練習：
用方框圖將下面的幾個控制系統表示出來。
1、供水水箱的水位自動控制系統
2、加熱爐的溫自動控制系統
3、人工調節液面
4、希羅的自動門控制系統
1、供水水箱的水位自動控制系統
預設水位
比較器
浮球
控制器
閥門
水箱
進水量
水位
2、加熱爐的溫自動控制系統
熱電偶
控制器
加熱器
加熱爐
設定溫度
比較器
熱量
溫度
3、人工調節液面
眼睛
大腦
手、閥門
容器
給定值
比較器
液體輸出量
液面位置
4、希羅的自動門控制系統
火爐
連動系統
廟門
門的開/關
相關量
火燃燒/熄滅
1、公交車超速控制
乘坐4路車，我們可能會聽到“您已超速，請減速慢行”。請畫出該控制系統的控制框圖。
練習：
檢測器
司機
變速器
汽車
設定速度
比較器
檔位
速度
白天或夜晚光線較亮時，聲控部分不起作用。當光線較暗時，負載電路的通斷受控于聲控部分。
電路是否接通，取決于聲音信號的強度。當聲音強度達到一定程度時，電路自動接通，點亮白熾燈，并開始延時，延時時間到，開關自動關斷，等待下一次聲音信號觸發。這樣，通過對環境聲光信號的檢測與處理，完成電路通斷的自動開關控制。
請畫出該控制系統框圖。
2、走道路燈的聲光控制系統
聲光信號
聲光檢測
控制裝置
路燈
燈亮/滅
開關
練習：
知識結構
控制的含義
控制目的
控制手段
控制手段
傳感器
執行器
控制器
反饋
比較
控制裝置
被控對象
控制的三要素
控制系統的組成
干擾與反饋
控制與設計
功能模擬法
黑箱法
控制系統
開環控制
閉環控制

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