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(共17張PPT)
第四單元 控制與設(shè)計(jì)
一 考試內(nèi)容與要求
二 具體內(nèi)容復(fù)習(xí)與討論
三 分析評(píng)價(jià)題、應(yīng)用題示例
技術(shù)與設(shè)計(jì)2
1 控制的含義 Ⅰ
2 控制的應(yīng)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(guò)程 Ⅱ
5 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)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(shè)計(jì)方案 Ⅱ
1 控制的含義(Ⅰ)
人們按照自己的意愿或目的，通過(guò)一定的手段，使事物向期望的目標(biāo)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(duì)象是什么，② 控制要達(dá)到什么目的，③ 采取什么控制手段。
2 控制的應(yīng)用(Ⅰ)
控制的應(yīng)用自古就有，并在近代得到了迅速發(fā)展，它涉及到社會(huì)生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，在各行各業(yè)都存在應(yīng)用。
3 控制手段(Ⅰ)
控制的分類：從控制過(guò)程中人工干預(yù)的情形分為人工控制（控制過(guò)程是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進(jìn)行的）和自動(dòng)控制（指在無(wú)人直接參與的情況下，使事物的變化準(zhǔn)確地按照期望的方向進(jìn)行）；按照?qǐng)?zhí)行部件的不同，控制分為機(jī)械控制、氣動(dòng)控制、液壓控制、電子控制等 。
了解在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)壓力、溫度、水位、光照、流量的控制，了解生活中電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)等生活用品的控制技術(shù)。
4 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和工作過(guò)程(Ⅱ)
任何一種控制的實(shí)現(xiàn)，都要通過(guò)若干個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)就構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，稱為控制系統(tǒng)。
（1）定義：控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)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?jī)H受輸入量控制，輸入量到輸出量之間的信號(hào)是單向傳遞。
（3）開環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
被控對(duì)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制命令的裝置或元件
直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的裝置或元件
執(zhí)行器的輸出信號(hào)
控制系統(tǒng)中所要求控制的裝置和生產(chǎn)過(guò)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(guò)程(Ⅱ)
（2）特征：系統(tǒng)的輸出端與輸入端信號(hào)之間存在一個(gè)回路——反饋回路。
（1）定義：系統(tǒng)的輸出量返回到輸入端并對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生影響的控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖
被控
對(duì)象
執(zhí)行器
控制器
控制量
檢測(cè)裝置
比較器
-
+
給定量
被控量
室內(nèi)空氣
控制量
設(shè)定溫度
溫度
控制器
室內(nèi)溫度
壓縮機(jī)
溫度檢測(cè)裝置
比較器
+
-
空調(diào)機(jī)
冷氣或熱氣
6 控制系統(tǒng)的方框圖(Ⅱ)
能畫出一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，能確定系統(tǒng)的個(gè)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(dòng)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(diào)節(jié)器
發(fā)動(dòng)機(jī)
進(jìn)油量
設(shè)定轉(zhuǎn)速
彈簧
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
輸油管
轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置
比較器
+
-
下列兩圖分別是瓦特蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制原理圖。如圖所示，套筒與閥門連在一起，當(dāng)由于某種外界原因（如蒸汽機(jī)的負(fù)載減小）導(dǎo)致蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速加快時(shí)，飛球離心力增大，套筒向上移動(dòng)，閥門通孔截面積減少，蒸汽流速降低，蒸汽機(jī)汽缸內(nèi)壓力減少，最后使其轉(zhuǎn)速下降。
（1）請(qǐng)補(bǔ)充完整蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖。
閥門
汽缸蒸汽
蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速
檢測(cè)裝置
（2）在蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制過(guò)程中，當(dāng)被控量發(fā)生變化時(shí)，執(zhí)行器的狀態(tài)___________（選填會(huì)或者不會(huì)）發(fā)生變化；除了設(shè)定轉(zhuǎn)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(huì)
干擾因素
注意以下幾點(diǎn)：
①來(lái)源問(wèn)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(fēng)等；有的干擾因素是人為原因所致，如影響飛機(jī)導(dǎo)航信號(hào)的手機(jī)信號(hào)等。
②數(shù)量問(wèn)題。在控制系統(tǒng)中，干擾因素可能是一個(gè)，也可能是若干個(gè)。
③處理問(wèn)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(diào)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(dāng)室外溫度升高時(shí)，空調(diào)器檢測(cè)出干擾引起的室內(nèi)溫度變化，通過(guò)啟動(dòng)壓縮機(jī)降溫來(lái)克服這一干擾，使室溫保持穩(wěn)定。
④利用問(wèn)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(shí)現(xiàn)某種目的。如在軍事演習(xí)中，紅方利用一定頻率的電磁波對(duì)藍(lán)方的信息指揮系統(tǒng)進(jìn)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(jǐn)慎、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)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(jié)合案例找出影響簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)運(yùn)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(duì)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(hào)是單向傳遞的，它對(duì)輸出量的控制精度較低，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
⒉ 閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間還有一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路。它對(duì)輸出量的控制精度較高，但它結(jié)構(gòu)復(fù)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(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置返回到輸入端并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程，就是反饋。
B 反饋方法：利用反饋來(lái)分析和處理被控對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)的輸出來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行的方法，稱為反饋方法。如普通電水壺將水加熱至沸騰時(shí)，需要人工關(guān)閉電源，而自動(dòng)電水壺具有當(dāng)水沸騰時(shí)自動(dòng)切斷電源的功能，這就是利用反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的結(jié)果。
把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進(jìn)而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法，就是黑箱方法。
黑箱方法就是通過(guò)觀測(cè)黑箱外部輸入信息（外部對(duì)黑箱的影響）和輸出信息（黑箱對(duì)外界的反應(yīng)），研究和認(rèn)識(shí)其功能、特性、結(jié)構(gòu)、機(jī)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(chǔ)，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(shè)計(jì)方案(Ⅱ)
（1）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般思路
實(shí)施控制系統(tǒng)所需的設(shè)備、元件等
系統(tǒng)的成本分析
控制系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行和評(píng)價(jià)
控制系統(tǒng)的方案選擇
分析被控對(duì)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(shè)計(jì)
明確控制的目的、對(duì)象
①設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，是選擇開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，應(yīng)根據(jù)對(duì)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(shè)計(jì)過(guò)程中，被控對(duì)象的特性往往難以直接得到，通常是通過(guò)了解被控對(duì)象的輸入與輸出之間的關(guān)系來(lái)分析它的基本特性，從而確定控制器的運(yùn)算方式(暗箱方法)。
③一個(gè)控制系統(tǒng)中可能存在若干個(gè)干擾因素，需要分析主次，找出對(duì)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(guān)鍵，對(duì)于簡(jiǎn)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(yīng)選擇可控的、對(duì)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(cè)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(jìn)行。
（2）開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
明確設(shè)計(jì)要求，明確被控對(duì)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?zé)舻膬?yōu)點(diǎn)有哪些？
⑵如果聲控?zé)舻母浇](méi)有來(lái)人，而
出現(xiàn)意外的聲響，如樓上或隔壁有人高聲說(shuō)話或以動(dòng)作發(fā)出聲響，靈敏度高的聲控?zé)粢矔?huì)應(yīng)聲而亮。為避免這種情況你有什么好辦法？
⑶畫出聲控?zé)舻南到y(tǒng)框圖。
如圖是聲控?zé)粝到y(tǒng)組成示意圖，根據(jù)你的理解和認(rèn)識(shí)回答下列問(wèn)題：
答案提示：⑴ 關(guān)鍵詞：方便、節(jié)電 。
⑵ 把傳感器的靈敏度調(diào)小一點(diǎn)。
⑶：
（3）閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(yīng)控制在允許的范圍之內(nèi)；
要有較好的抗干擾性能。
例：抽水馬桶水箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
A 設(shè)計(jì)分析：被控對(duì)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(jìn)水管的水流量（進(jìn)水量）水箱水位的高度與進(jìn)水量之間呈線性關(guān)系。
B 控制過(guò)程：撥動(dòng)沖水旋鈕，使出水閥打開，水箱沖水。與此同時(shí)，進(jìn)水閥打開，水箱進(jìn)水，直到指定水位時(shí)，進(jìn)水閥關(guān)閉。
C 方框圖：
李明制作了方便小動(dòng)物喝水的自動(dòng)加
水器，結(jié)構(gòu)如圖。工作過(guò)程是當(dāng)水龍頭打
開，水就流入碗內(nèi)，碗內(nèi)的水位逐漸升高，
浸沒(méi)到塑料管管口時(shí)，沒(méi)有空氣進(jìn)入密封
的鐵桶，水龍頭停止出水；當(dāng)碗內(nèi)水位降
低至塑料管管口以下，空氣從塑料管進(jìn)入
鐵桶內(nèi)，水又流出來(lái)，使碗內(nèi)實(shí)際水位控
制在管口位置。試分析其控制過(guò)程，完成
下列問(wèn)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(qǐng)?zhí)顚懲瓿煽刂葡到y(tǒng)方框圖中所缺部分。
（3）假設(shè)原來(lái)搪瓷碗內(nèi)的水位控制在5厘米，現(xiàn)在需要把碗內(nèi)水位控制在8厘米，請(qǐng)問(wèn)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(shí)際水位
硬塑料管截?cái)嗷蛏仙?厘米；鐵桶抬高3厘米；搪瓷碗位置下降3厘米等

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