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課件42張PPT。第四章 控制與設計
第一節 了解控制生活中的控制夾 豆 子你在整個過程中是如何操作的呢？現代社會中控制的例子自動門音樂噴泉現代社會中控制的例子微波爐電飯煲監控驗鈔機 為什么需要控制? 事物的發展與變化具有多樣性。例如: 下雨下雪魚塘：
成熟的西瓜：
流行性病毒：指出下列事物發展與變化的多種可能性：馬上行動干涸溢出水其中的魚可能多而肥，可能少而弱被摘下吃掉榨汁爛掉傳染人群使人發病被人的抵抗力所戰勝通過預防和綜合治理而被控制 事物發展的結果可能是人們預先期望的，也可能是與預期的目標不相符，甚至是不希望得到的。如果人們想達到某一特定的目的，就必須運用適當的手段來實現。 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。一、控制的含義 P（108） 大禹治水 案例分析 大禹是中國古代的傳奇英雄人物，他所處的年代洪水泛濫而久治不息。他的父親鯀受堯的命令而治水，采用壘壩筑堰、填塞洪水的方法，結果愈治愈泛，水患益盛，最終被舜帝治罪而死。鯀死后，水患并未止息。大禹子承父業，接受舜的命令進行治水。大禹治水，一改其父“以填塞而阻水”的方法，以疏通河道、泄洪為主，經過13年的努力，終于“洪波安息”、“水患大治”。
思考：大禹治水的過程中，通過什么手段實現了什么樣的目的？ 大禹治水洪水安息洪波、大治水患疏通河道，泄洪為主電風扇扇葉調節速度換擋
人力三輪車改變三輪車行駛的方向雙手轉動車把馬上行動 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，控制有手動控制和自動控制。 二、控制的手段 P(114)1、手動控制 概念：控制系統必須在人的直接干預下才能完成控制任務。
特點：有人直接干預。電梯木門風扇遙控模型手動沖床開車2、自動控制 概念：在控制的過程中不需要人的干預，就可按期望規律或預定程序進行的控制系統。
特點：不需要人的直接干預。手搖扇電風扇空調器手搖扇子產生風電機帶動葉片轉動時產生風自動調溫手動手動控制自動控制案例分析：從手搖扇到空調器自動門太陽能路燈自動扶梯自動洗車自動喂水模型
下列哪些是自動控制？哪些是人工控制？ 馬上行動自發電手電筒人工控制現代網絡家電 生活 自動控制網絡家電是將普通家用電器利用數字技術、網絡技術及智能控制技術設計改進的新型家電產品。網絡家電可以實現互聯組成一個家庭內部網絡，同時這個家庭網絡又可以與外部互聯網相連接汽車自動裝配生產線 工業生產 汽車油漆自動控制農業生產 水 車自動控制溫室自動控制現代化溫室中具有控制溫濕度、光照等條件的設備，用電腦自動控制創造植物所需的最佳環境條件。農田灌溉 折射式微噴射流式微噴錘式微灌自動控制 試一試：分析下列控制現象是自動控制還是人工控制：
（1）搖動轱轆，提取井水；
（2）用氣筒給自行車的輪胎充氣；
（3）電梯的上下運行控制；
（4）農用灌溉抽水機抽水的控制。三、開環與閉環控制系統P(111)
小試驗1：
閉上眼睛寫“控制系統”四個字輸入量： 老師的指令輸出量： 所寫的字思考：與睜著眼睛相比，那個更好啊？
1、閉上眼睛寫字的控制過程方框圖 控制過程中，沒有反饋環節，不能對控制結果加以修正、調節，是個單程的控制流向，這種控制，稱為開環控制。分析原因： 人腦控制手寫字，在此過程中，眼睛可以把手的位置及時反饋給大腦，使得大腦準確精細地控制手去寫好字。控制過程中有反饋環節可以把控制結果反饋給人腦，控制流向形成了閉合回路。這種控制稱為閉環控制。
2、睜開眼睛寫字的控制過程方框圖眼睛1、閉環控制系統：能將控制結果反饋回來與希望值進行比較，并根據它們的誤差及時調整控制作用的系統。反饋環節：系統中將控制結果反饋回來的部分。
閉環控制系統又叫反饋控制系統
反饋環節是閉環控制系統的重要特征。 控制系統的分類2、開環控制系統：控制過程不將結果反饋回來影響控制作用的系統。 課堂小結
1、控制的涵義
（明確對象、目的、手段）
2、手動控制和自動控制
3、開環控制系統和閉環控制系統 1、自行車剎車裝置的作用是制動，當需要減速或制動時，給握把施加一定的力，通過杠桿系統，將剎車片壓緊（或輪軸），使車輪減速或制動．思考：
這個控制系統屬于（　 ）
Ａ自動控制　 Ｂ手動控制　
Ｃ機械控制　 Ｄ氣動控制　
Ｅ開環控制系統　Ｆ閉環控制系統B.C.E 2、成語和俗語是千百年來人們生活智慧的結晶,其中不少蘊含著有關技術與設計的道理．下列與設計過程中的“結構”“流程”“系統”和“控制”依次對應的是( )
①見風使舵 ②銅墻鐵壁
③磨刀不誤砍柴工 ④牽一發而動全身
A．②③①④ B．②③④①
C．③②①④ D．③②④①
B課件37張PPT。第四章 控制與設計
控制系統的組成與描述自行車傳動系統由下列部件構成腳蹬、曲柄、鏈輪、中軸、鏈條、飛輪等 電風扇的風速控制是通過改變電機的轉速來實現的。給電風扇設定風速擋位，電機就以一定的轉速帶動扇葉轉動，輸出預定的風速。風速擋位是該控制系統的輸入量，扇葉轉動的風速是該控制系統的輸出量，一個擋位對應著一個風速。 電風扇風速的檔位電機、扇葉風速 任何一種控制的實現，都要通過若干個環節，這些環節的有機組合就構成了一個系統，稱為控制系統。 控制系統的輸出與輸入之間有一定的對應關系。控制系統輸入量控制系統輸出量歸納共同點：
使用下面的方框來表示上述控制系統調速器或擋位風速接通電源的電信號鍋內的溫度接通電源的電信號脫粒的量人手的紅外信號水龍頭的出水量控制系統通常又分為開環控制系統和閉環控制系統1.開環控制系統：控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響
2.閉環控制系統：系統的輸出量返回到輸入端并對控制系統過程產生影響的控制系統簡單閉環控制系統方框圖：簡單開環控制系統方框圖：輸入量——控制系統的給定量
輸出量——控制系統所要控制的量
控制器——對輸入信號進行處理并發出控制命令的 裝置或元件
執行器——直接對被控對象進行控制的裝置或元件
被控對象——控制系統所要控制的裝置或生產過程開環控制系統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。 控制器執行器被控對象輸出量控制量【案例分析】開環控制系統自動門的控制系統門的開/關輸
入量輸
出量電機水泵水管水流量控制器執行器被控對象被控量控制量開環控制系統，信號的傳遞是單向的。水泵抽水控制系統【案例分析】水管排出水
接通電源
輸入量輸出量開環系統的方框圖1、電視搖控器的控制系統
2、樓道聲控燈的控制系統
3、電動車的防盜報警系統 生活中還有哪些開環控制系統？ 公共汽車車門控制系統。


音樂噴泉控制系統鬧鐘定時控制系統自動烘手機電吹風控制系統手電筒控制裝置火災報警系統防盜報警系統例：沖廁水箱的自動控制系統的設計
案例: 閉環控制系統如何判斷開環控制系統與閉環控制系統
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。電冰箱的溫度控制系統
【案例分析】比較器案例：空調器溫度控制系統方框圖如下：馬上行動：判斷下列控制系統是否屬于閉環控制系統，畫出方框圖。熱電偶控制器加熱器加熱爐設定溫度比較器加熱爐的溫度自動控制系統熱量爐內
溫度眼睛大腦手
閥門容器給定值比較器人工調節液面液體輸出量液面位置游泳池水位控制系統請完成1、家用縫紉機的縫紉速度控制系統（ ）2、電冰箱的溫度控制系統（ ）屬于開環控制系統屬于閉環控制系統3、走道路燈的聲光控制系統（ ）4、交通路口紅綠燈自動控制系統（ ）開環閉環www.themegallery.comCompany Logo 5、汽車安全氣囊控制系統的工作過程是：傳感器檢測到汽車碰撞信號，經診斷模塊判定和處理后，觸發氣體發生器給氣囊充氣。該控制系統的被控對象是( )
A．被氣囊保護的人 B．氣囊
C．診斷模塊 D．氣體發生器B 6、 小明發現學校路燈有時由于沒有及時關閉而浪費用電，為此他設計了一個控制方案，能夠在天亮時關閉，天暗后打開。該控制系統應該屬于( )A、自動控制的閉環控制系統??
B、自動控制的開環控制系統C、手動控制的閉環控制系統?
? D、手動控制的開環控制系統 B 7、下列關于控制系統工作過程的說法，正確的是( )
A．信息只能從輸入端傳至輸出端
B．信息只能從輸出端傳至輸入端
C．開環控制系統的信息只能從輸入端傳至輸出端
D．閉環控制系統的信息只能從輸出端傳至輸入端
C 8、在下面4個控制系統中，屬于閉環控制系統的是( )
A．電風扇的定時控制系統
B．公共樓道路燈延時控制系統
Ｃ．棚室溫度恒定控制系統
D．商店自動門控制系統
C如何判斷【課堂小結】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。課件22張PPT。第三節 控制系統的設計與實施系統要達到的目標？
控制的對象？
被控對象的特性？
被控量和控制量？
外界的主要干擾因素？
怎樣的方案既達到目的、又經濟、易于實現？
如何選擇設備和元件？控制系統設計應考慮的問題：控制系統的設計實施控制系統所需的設備、元件等系統的成本分析控制系統調試、運行和評價控制系統的方案選擇分析被控對象的主要特征明確控制的目的確定被控量、控制量分析主要的干擾因素。。。 。。。控制系統設計應考慮的問題：1、設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。
2、在控制系統設計過程中，被控對象的特性往往難以直接得到，通常是通過了解被控對象的輸入與輸出之間的關系來分析它的基本特性，從而確定控制器的運算方式(暗箱方法)；控制系統設計的一般思路：3、一個控制系統中可能存在若干個干擾因素，需要分析主次，找出對系統影響最大的干擾因素；
4、被控量與控制量的確定是控制方案的關鍵，對于簡單控制系統，需要控制的量往往被確定為被控量，控制量應選擇可控的、對抑制干擾因素和保持系統穩定又明顯作用的量；
5、執行器、檢測器的選擇：一是要根據被控量和控制量的需求，二是要根據控制的條件進行。控制系統設計的一般思路：1、設計一個控制系統，是選擇開環控制還是閉環控制，應根據對控制精度的要求以及條件的可行性而定。控制系統設計的一般思路開環控制系統的設計相對比較簡單，在明確設計要求，明確被控對象、被控量和控制量后，即可考慮具體控制系統的方案。開環控制系統的設計案例1：普通電風扇控制系統的設計
被控對象——
被控量——
控制量—— 電風扇電風扇輸出的風速電機的轉速案例分析2：電吹風控制系統的設計設計要求：
電吹風能根據不同的檔位（如冷風檔、熱風檔）輸出不同種類的風。設計分析：
被控對象：
被控量：
控制量：
干擾因素：是電吹風裝置是風的速度和溫度是電機的電壓是房間溫度、
電源電壓的波動等。方案構思：
選擇開環控制系統實現電吹風的控制要求。
設定風的檔位就設定了電機的電壓和電熱絲的阻值，接通電源后，電機帶動一個小風扇轉動，產生的風通過電吹風的電熱絲，輸出的就是與設定的風種相對應的風。
確定了電吹風控制系統的設計方案后，畫出必要的電器線路圖，選擇適當型號的元件和配件，進行組裝、調試。 電吹風的控制工作過程：
電吹風是要將其內部電熱絲的熱量通過一個小電風扇擴散出去。閉環控制系統的設計不同的閉環控制系統用于實現不同的控制目的，要求往往也不一樣。對于簡單的閉環控制系統，有以下基本要求：1、一個閉環控制系統要正常工作，首先必須是穩定的
當干擾因素出現時，輸出量發生偏離，系統通過動態調整使被控量回到平衡狀態，系統的這種調整過程有可能使系統產生振蕩，若振蕩呈逐漸衰減趨勢，能很快穩定下來，還屬于穩定系統，否則就是不穩定系統。
2、控制系統的控制精度必須符合要求，即系統的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內。
3、閉環控制系統應有較好的抗干擾性能。
在進行閉環控制系統的設計時，幾項控制要求之間往往會產生矛盾，需要結合具體問題全面解決或有所側重地解決。世界100大發明之一，生活必備，每天都要使用案例分析3：設計要求：
當水箱水位低于某一指定高度時，進水口立即進水。
當水箱水位達到某一指定高度時，進水口停止進水。
控制系統對控制精度和系統的穩定性均沒有特別要求。抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計設計分析：
從設計要求來看，這是一種自動控制，因此選擇閉環控制系統。
被控對象是抽水馬桶的水箱，被控量是抽水馬桶水箱水位的高度，控制量是進水管的水流量（進進水量），水箱水位的高度與進水量之間呈線形關系
主要干擾因素是水箱的出水流量。方案構思：
采用浮球作為水位高度的檢測裝置。當水箱的水位低于水箱的某個高度時，出現了水位差（給定的水位高度與實際水位高度之差），這個信號通過浮球、連桿機構傳給進水閥，使進水閥打開，從而水箱進水；當水箱水位達到水箱的某個高度時，水位差為零，進水閥關閉。水箱水位控制過程：
波動沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時，進水閥打開，水箱進水，直到指定水位時，進水閥關閉。抽水馬桶水箱的自動控制系統的設計討論
在上述案例中，如果要節約用水，減少水箱每次沖水的量，你能設計哪幾種方案？ 水箱一次的沖水量實際上是隨水箱的橫截面積和水位設定高度而變化的，即：沖水量=水箱橫截面積×設定高度。 因此，要減少每次沖水量，應該從減少水箱橫截面積和設定高度入手。具體方案可以有：（1）將杠桿支點右移，使浮球在較小的高度上關閉進水閥。（4）設計兩種沖水方式，一種是半箱水沖洗，一種是整箱水沖洗。（3）控制出水閥開啟的時間，使其在水未放完之前關閉出水閥。這相當于改變設定高度。（2）在水箱中放入比水重的物體，起到減小水箱平均截面積的作用（減少水箱的實際蓄水量）38.8萬元的金馬桶??????一套近似天價的１８Ｋ金意大利宮廷潔具亮相北京，并以當日兩套訂單的驚人業績為節后剛剛復蘇的家居建材市場注入了一針興奮劑。38.8萬元的金馬桶??????一套近似天價的１８Ｋ金意大利宮廷潔具亮相北京，并以當日兩套訂單的驚人業績為節后剛剛復蘇的家居建材市場注入了一針興奮劑。記者當天在建材經貿大廈意大利宮廷潔具品牌唯雅妮專賣店看到，由一件標價３８．８萬元的馬桶和一個標價３５．８萬元的面盆組成的這套金潔具被置于用潔白的水晶吊簾營造出的一個專門展臺內，顯得金碧輝煌。入駐建材經貿大廈不足一周的這家意大利品牌經銷商表示，希望這套目前中國最貴的金潔具能為意大利優質產品在２００５年的北京市場帶來一個“開門紅”。?1、“黑箱”方法主要是研究系統的（ ?? ）
A輸入與輸出的關系 B內部與外部的關系
C結構與功能的關系 D要素與整體的關系A2、在恒溫箱自動控制系統中，檢測裝置的作用是（?? ）
A測量并顯示溫度 B測量并消除干擾
C測量并反饋溫度 D測量并控制干擾C3、下列不屬于開環控制系統的是（ ）
A自動門?? B 自動聲控燈?
C自動烘手機 ?? D電飯鍋溫控系統
4、下列控制系統中，屬于開環控制系統的是（ ）
A電冰箱的溫度控制?????????
B計算機CPU的風扇的轉速控制
C現代農業溫室的溫度控制???
D紅綠燈定時控制系DD5、控制系統中屬于自動控制系統的是（ ? ）
A按鈕開關控制 B普通自來水龍頭
C花房恒溫度控制 D汽車駕駛C 課件29張PPT。第四單元 控制與設計 第四節 閉環控制系統的干擾與反饋

什么是干擾因素各種電器設備對電視機的干擾.干擾因素干擾因素干擾因素可能一個，也可能若干個。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因素。
有的干擾因素是由于環境造成的，如影響自行車行駛速度的變化的自然風等；
有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機導航信號的手機信號等。
案例1： 在飛機上，使用電子裝置可能會干擾飛機的通信、導航、操縱系統，會干擾飛機與地面的無線信號聯系，尤其是在升降時，即使這些干擾只造成飛機很小的角度的航向偏離，也可能導致機毀人亡的結果。1999年7月11日，某航班準備在廣州白云機場降落時，出現了8度的航跡偏離，機長發現后，立即通知乘務員檢查，結果發現有四五位旅客在使用移動電話。乘務員上前制止后才在著陸時恢復了正常航跡。因此在飛機上不能使用手機及其他電子產品。馬上行動是是是否下表所列控制系統中，可能存在哪些干擾因素？電機輸出電壓的波動等、齒輪間的摩擦力等滑輪組的摩擦力等外部環境溫度變化，大棚保溫材料的保溫性能改變等克服干擾 控制系統在工作過程中必須克服干擾，使被控量穩定。空調器的溫度控制系統是閉環控制系統，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器監測出干擾引起的室內溫度變化，通過啟動壓縮機降溫來克服這一干擾，使室溫保持穩定。克服干擾的基本方法

1、消除干擾:如飛機中不能使用通信設備 2、減弱干擾:如電器在使用時要遠離其他電子設備 3、提高控制系統性能:如采用閉環控制系統干擾因素是否一無是處？干擾因素有時要克服，有時還可利用。 在軍事中，可利用一定頻率的電磁波對對方的信息指揮系統進行干擾。手機來電閃，
根據電磁波干擾原理反饋被控量 在自動控制系統中，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）。反饋方法： 利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統的輸出來調整系統的行為，使系統沿著預期的目標運行的方法，稱為反饋方法。　　　閉環控制系統的核心是通過反饋來減少被控量（輸出量）的偏差。所以一個閉環控制系統，能夠克服外界干擾，使被控量控制在給定值附近。閉環控制系統的工作過程浮球控制器閥門水箱預設水位進水量比較器供水水箱的水位自動控制系統水位熱電偶控制器加熱器加熱爐設定溫度比較器加熱爐的溫度自動控制系統熱量爐內溫度閉環控制系統與開環控制系統的比較閉環控制：反饋控制， 偏差控制，可以抑制內、外擾動對被控量產生的影響。精度高、結構復雜，設計、分析麻煩。
開環控制：順向作用，沒有反向的聯系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結構簡單、調整方便、成本低。在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還有一定的實用價值。
閉環控制系統與開環控制系統的比較否低高是簡單復雜精度要求低、
穩定場合精度要求高、
可靠性高功能模擬方法 以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為，就是功能模擬法
比較加熱爐溫度自動控制系 統與手動控制系統，我們發現，控制器代替人腦實現了溫度控制的功能，執行器代替人手實現了調壓的功能，檢測裝置代替了人眼實現了檢測溫度值的功能。
歷史上曾經有過能模擬人的動作行為的各種模型，卻沒有解決從結構上模擬人的大腦進行思考的問題，因為人的大腦太復雜了。在沒有徹底弄清人腦內部結構和機理的情況下，必須另辟一條新的模擬途徑，這條途徑不要求從結構上去模擬人腦，而是只要求模型在功能行為上與人腦相似。也就是，僅僅根據模型和人腦在功能行為上的相似，實現對人腦的模擬。對人腦的模擬卡斯帕羅夫VS“深籃” 例如：在國際象棋的人機對弈中，計算機具有與人腦類似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。功能模擬法為仿生學、人工智能等學科提供了科學方法1997年5月11日 西瓜含有大量水分及多種人體所需的礦物質。我們去買時怎么挑選黑箱方法通過對系統的輸入與輸出的關系的研究，進而推斷出系統內部結構及其功能的方法。黑箱方法提供了一種不必打開黑箱就可以研究其內部結構和功能的方法。中醫“望聞問切”判斷生熟雞蛋列舉黑箱方法應用的例子，并填寫下表。馬上行動： 判斷生熟雞蛋搖、轉、看生或熟旋轉速度中醫診斷病情望、聞、問、切是否健康氣色、舌苔、脈搏等B超探測胎兒性別B型超聲波超聲圖象胎兒性別了解計算機的基本性能 運行應用程序 計算機的反應 計算機基本性能的好壞
1、干擾的概念
2、克服干擾的基本方法
3、反饋
4、功能模擬法
5、黑箱方法 小 結：1．家用空調溫度自動控制系統是閉環控制，其中反饋環節的作用是( )
A．減少輸入量 B．增加輸入量
C．穩定輸入量 D．穩定輸出量D2．家用電視機最容易受到的影響(即干擾因素)是( )
A．環境溫度 B．環境濕度 C．風的強度 D．電磁干擾D3．比較閉環控制系統和開環控制系統，下列判斷正確的是( )
A．開環控制系統的控制精度較低
B．開環控制系統無反饋環節
Ｃ．閉環控制系統的抗干擾能力強
D．閉環控制系統和開環控制系統都有比較器ABC4．把在體育課上練習投籃看成一個控制系統，則下列判斷正確的是( )A．控制系統的控制器是人的大腦 B．控制系統的反饋環節是人的眼睛C．控制系統的執行器是人的手 D．控制系統的被控量是籃球ABC5．家用冰箱的溫控系統采用閉環控制．為了進一步提高其抗干擾的性能．設計中采取的措施是( )A．增加反饋環節 B．提高壓縮機的制冷量C．提高箱體的隔熱性能 D．說明書上建議用戶將冰箱遠離其他家用電器放置C

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