資源簡介

(共17張PPT)
第四單元 控制與設計
一 考試內容與要求
二 具體內容復習與討論
三 分析評價題、應用題示例
技術與設計2
1 控制的含義 Ⅰ
2 控制的應用 Ⅰ
3 控制手段 Ⅰ
4 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程 Ⅱ
5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程 Ⅱ
6 控制系統(tǒng)的方框圖 Ⅱ
7 控制系統(tǒng)的干擾因素 Ⅰ
8 功能模擬方法和黑箱方法 Ⅰ
9 控制系統(tǒng)設計方案 Ⅱ
1 控制的含義(Ⅰ)
人們按照自己的意愿或目的，通過一定的手段，使事物向期望的目標發(fā)展，這就是控制。
理解任何控制現(xiàn)象，都要明確：① 控制的對象是什么，② 控制要達到什么目的，③ 采取什么控制手段。
2 控制的應用(Ⅰ)
控制的應用自古就有，并在近代得到了迅速發(fā)展，它涉及到社會生活、生產(chǎn)的各個領域，在各行各業(yè)都存在應用。
3 控制手段(Ⅰ)
控制的分類：從控制過程中人工干預的情形分為人工控制（控制過程是在人的直接干預和全程干預下進行的）和自動控制（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）；按照執(zhí)行部件的不同，控制分為機械控制、氣動控制、液壓控制、電子控制等 。
了解在生產(chǎn)過程中對壓力、溫度、水位、光照、流量的控制，了解生活中電冰箱、洗衣機、空調機等生活用品的控制技術。
4 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程(Ⅱ)
任何一種控制的實現(xiàn)，都要通過若干個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)就構成了一個系統(tǒng)，稱為控制系統(tǒng)。
（1）定義：控制系統(tǒng)的輸出量不對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響，這種控制稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。
（2）特征：系統(tǒng)的輸出量僅受輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞。
（3）開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
被控對象
執(zhí)行器
控制器
輸入量
控制量
輸出量
控制系統(tǒng)的給定量
對輸入信號進行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件
直接對被控對象進行控制的裝置或元件
執(zhí)行器的輸出信號
控制系統(tǒng)中所要求控制的裝置和生產(chǎn)過程
控制系統(tǒng)所要控制的量
5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過程(Ⅱ)
（2）特征：系統(tǒng)的輸出端與輸入端信號之間存在一個回路——反饋回路。
（1）定義：系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對控制過程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
被控
對象
執(zhí)行器
控制器
控制量
檢測裝置
比較器
-
+
給定量
被控量
室內空氣
控制量
設定溫度
溫度
控制器
室內溫度
壓縮機
溫度檢測裝置
比較器
+
-
空調機
冷氣或熱氣
6 控制系統(tǒng)的方框圖(Ⅱ)
能畫出一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，能確定系統(tǒng)的個環(huán)節(jié)，能確定被控量、控制量、輸入量、反饋量、偏差量，能用箭頭表示信息在系統(tǒng)中流動和傳播的方向。理解其中的控制器、執(zhí)行器、比較環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)的作用。
瓦特式速度調節(jié)器
發(fā)動機
進油量
設定轉速
彈簧
發(fā)動機轉速
輸油管
轉速檢測裝置
比較器
+
-
下列兩圖分別是瓦特蒸汽機的結構示意圖和轉速自動控制原理圖。如圖所示，套筒與閥門連在一起，當由于某種外界原因（如蒸汽機的負載減小）導致蒸汽機的轉速加快時，飛球離心力增大，套筒向上移動，閥門通孔截面積減少，蒸汽流速降低，蒸汽機汽缸內壓力減少，最后使其轉速下降。
（1）請補充完整蒸汽機轉速自動控制系統(tǒng)方框圖。
閥門
汽缸蒸汽
蒸汽機轉速
檢測裝置
（2）在蒸汽機的轉速控制過程中，當被控量發(fā)生變化時，執(zhí)行器的狀態(tài)___________（選填會或者不會）發(fā)生變化；除了設定轉速的變化引起被控量變化以外，其它能引起被控量變化的一切因素統(tǒng)稱為__________。
會
干擾因素
注意以下幾點：
①來源問題。有的干擾因素是由于環(huán)境造成的，如影響自行車行駛速度變化的自然風等；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。
②數(shù)量問題。在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能是一個，也可能是若干個。
③處理問題。控制系統(tǒng)在工作中必須克服干擾，使被控量穩(wěn)定。如空調器的溫度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它能克服室外溫度變化這一干擾，當室外溫度升高時，空調器檢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(wěn)定。
④利用問題。在一般控制系統(tǒng)中，干擾因素是需要克服的。而在有些情況下卻可以利用干擾因素實現(xiàn)某種目的。如在軍事演習中，紅方利用一定頻率的電磁波對藍方的信息指揮系統(tǒng)進行干擾，使之不能正常工作。但在生產(chǎn)生活中，我們需要以謹慎、嚴謹?shù)膽B(tài)度對待干擾因素的利用。
7 控制系統(tǒng)的干擾因素(Ⅰ)
在控制系統(tǒng)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。
能結合案例找出影響簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾因素，并能分析盡可能避開或抑制干擾因素對控制系統(tǒng)的影響的辦法。
開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較
⒈ 開環(huán)控制系統(tǒng)輸入量到輸出量之間的信號是單向傳遞的，它對輸出量的控制精度較低，但它具有結構簡單、成本低、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。
⒉ 閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間還有一個反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路。它對輸出量的控制精度較高，但它結構復雜、成本高，主要用在要求較高精度和高可靠性的控制中。
反饋：
A 定義：在控制系統(tǒng)中，將輸出量通過適當?shù)臋z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。
B 反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對象，通過系統(tǒng)的輸出來調整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預期的目標運行的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時，需要人工關閉電源，而自動電水壺具有當水沸騰時自動切斷電源的功能，這就是利用反饋方法實現(xiàn)自動控制的結果。
把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關系的研究，進而推斷出系統(tǒng)內部結構及其功能的方法，就是黑箱方法。
黑箱方法就是通過觀測黑箱外部輸入信息（外部對黑箱的影響）和輸出信息（黑箱對外界的反應），研究和認識其功能、特性、結構、機理。
8 功能模擬方法和黑箱方法(Ⅰ)
以功能和行為的相似性為基礎，用“模型”模擬“原型”的功能和行為的方法，就是功能模擬法。
9 控制系統(tǒng)設計方案(Ⅱ)
（1）控制系統(tǒng)設計的一般思路
實施控制系統(tǒng)所需的設備、元件等
系統(tǒng)的成本分析
控制系統(tǒng)的調試、運行和評價
控制系統(tǒng)的方案選擇
分析被控對象的主要特征
確定被控量、控制量
……
分析主要的干擾因素
控制系統(tǒng)
的設計
明確控制的目的、對象
①設計一個控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應根據(jù)對控制精度的要求以及條件的可行性而定。
②在控制系統(tǒng)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)。
③一個控制系統(tǒng)中可能存在若干個干擾因素，需要分析主次，找出對系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)穩(wěn)定又明顯作用的量。
⑤執(zhí)行器、檢測器的選擇：一是要根據(jù)被控量和控制量的需求，二是要根據(jù)控制的條件進行。
（2）開環(huán)控制系統(tǒng)的設計
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(tǒng)的方案。
⑴聲控燈的優(yōu)點有哪些？
⑵如果聲控燈的附近并沒有來人，而
出現(xiàn)意外的聲響，如樓上或隔壁有人高聲說話或以動作發(fā)出聲響，靈敏度高的聲控燈也會應聲而亮。為避免這種情況你有什么好辦法？
⑶畫出聲控燈的系統(tǒng)框圖。
如圖是聲控燈系統(tǒng)組成示意圖，根據(jù)你的理解和認識回答下列問題：
答案提示：⑴ 關鍵詞：方便、節(jié)電 。
⑵ 把傳感器的靈敏度調小一點。
⑶：
（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計
閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本要求：
閉環(huán)控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的；
系統(tǒng)的輸出量與給定值之差應控制在允許的范圍之內；
要有較好的抗干擾性能。
例：抽水馬桶水箱的自動控制系統(tǒng)設計：
A 設計分析：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（進水量）水箱水位的高度與進水量之間呈線性關系。
B 控制過程：撥動沖水旋鈕，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。
C 方框圖：
李明制作了方便小動物喝水的自動加
水器，結構如圖。工作過程是當水龍頭打
開，水就流入碗內，碗內的水位逐漸升高，
浸沒到塑料管管口時，沒有空氣進入密封
的鐵桶，水龍頭停止出水；當碗內水位降
低至塑料管管口以下，空氣從塑料管進入
鐵桶內，水又流出來，使碗內實際水位控
制在管口位置。試分析其控制過程，完成
下列問題：
（1）該控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)
控制系統(tǒng)？
（2）請?zhí)顚懲瓿煽刂葡到y(tǒng)方框圖中所缺部分。
（3）假設原來搪瓷碗內的水位控制在5厘米，現(xiàn)在需要把碗內水位控制在8厘米，請問可以采取什么方法？
鐵桶
圓木塞
鐵桶
硬塑料管
搪瓷碗
水龍頭
5cm
閉環(huán)控制系統(tǒng)
水龍頭
實際水位
硬塑料管截斷或上升3厘米；鐵桶抬高3厘米；搪瓷碗位置下降3厘米等

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