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第四章 控制與設(shè)計(jì)
肥城一中
2010年 5月
學(xué)習(xí)目標(biāo)
⒈ 積極觀察生活，能從生活中所遇到的和所觀察到的事物中識(shí)別各種受控現(xiàn)象和受控過(guò)程，理解控制的含義。
⒉ 能夠分析典型的案例，了解手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，熟悉簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成和簡(jiǎn)單的工作過(guò)程。
⒊ 通過(guò)案例分析，能畫(huà)出一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，理解其中的控制器、執(zhí)行器的作用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。
⒋ 通過(guò)案例分析，找出并分析影響簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要干擾因素，了解功能模擬方法和黑箱方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
⒌ 結(jié)合一定的案例，了解簡(jiǎn)單的被控對(duì)象的基本特性，能確定被控量、控制量，劃出控制系統(tǒng)的方框圖，并形成初步的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
⒍ 能根據(jù)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，制作一個(gè)控制裝置，或根據(jù)簡(jiǎn)單閉環(huán)控制系統(tǒng)的方案進(jìn)行模擬實(shí)施，學(xué)會(huì)調(diào)試運(yùn)行，提出改進(jìn)方案。
（導(dǎo)入）：
我國(guó)古代有一種靠風(fēng)力來(lái)推動(dòng)的風(fēng)磨，當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)的時(shí)候，磨盤(pán)就轉(zhuǎn)得快，當(dāng)風(fēng)力弱的時(shí)候，磨盤(pán)就轉(zhuǎn)得慢。那么，怎樣才能根據(jù)風(fēng)力的大小，往磨盤(pán)上添加谷物呢？對(duì)此，人們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)漏斗：當(dāng)風(fēng)磨轉(zhuǎn)動(dòng)慢的時(shí)候，這個(gè)漏斗會(huì)自動(dòng)地縮小漏口，使少量的谷物流進(jìn)磨盤(pán)；當(dāng)風(fēng)磨轉(zhuǎn)動(dòng)快的時(shí)候，這個(gè)漏斗會(huì)自動(dòng)地張大漏口，讓較多的谷物流進(jìn)磨盤(pán)。
這個(gè)巧妙的漏斗在今天看來(lái)，是一個(gè)古老的控制裝置，體現(xiàn)了人們認(rèn)識(shí)并利用控制現(xiàn)象的久遠(yuǎn)。事實(shí)上，控制并不是人類(lèi)的天外來(lái)客，它滲透在我們生產(chǎn)和生活的方方面面。理解控制、善于控制，已經(jīng)成為我們每個(gè)人日常生活中不可或缺的基本能力。
1 控制
人們根據(jù)自己意愿或目的，通過(guò)一定的手段，使事物沿著某一確定的方向發(fā)展，就形成了控制（control）。這里所說(shuō)的手段就是控制技術(shù)。如：射手通過(guò)瞄準(zhǔn)使箭射中靶心；人們通過(guò)電冰箱獲得適當(dāng)?shù)臏囟?，使食物能夠長(zhǎng)期存放；先進(jìn)的生產(chǎn)流水線通過(guò)計(jì)算機(jī)的指揮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等。
注意：理解任何控制現(xiàn)象，都要明確控制的對(duì)象是什么，控制要達(dá)到什么目的和采取什么控制手段。例如：在人力三輪車(chē)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的方向控制問(wèn)題中，其控制的對(duì)象就是人力三輪車(chē)，控制的目的是為了改變?nèi)嗆?chē)行駛的方向，控制的手段是騎車(chē)人通過(guò)雙手轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)把，改變前輪的方向并帶動(dòng)后輪。
按人工干預(yù)來(lái)分：人工控制
自動(dòng)控制
按執(zhí)行部件來(lái)分：機(jī)械控制
氣動(dòng)控制
液壓控制
電子控制
控制的含義：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。
控制的手段
（1）從控制過(guò)程中人工干預(yù)的情形來(lái)分
A 人工控制：控制的過(guò)程是在人的直接干預(yù)和全程干預(yù)下進(jìn)行的。如：人工紡紗、普通自來(lái)水龍頭、掀按鈕打開(kāi)電燈、拖地清潔地板、駕駛汽車(chē)等
B 自動(dòng)控制：是指在無(wú)人直接參與的情況下，使事物的變化準(zhǔn)確的按照期望的方向進(jìn)行。如：數(shù)控機(jī)床、飲料自動(dòng)裝罐生產(chǎn)線，花房恒溫控制、十字路口紅綠燈的轉(zhuǎn)換、通過(guò)電視更換節(jié)目頻道、聯(lián)合收割機(jī)割麥子等。
（2）按照?qǐng)?zhí)行部件的不同分為：
A 機(jī)械控制：普通水龍頭、電飯煲等
B 氣動(dòng)控制：化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的氣動(dòng)閥門(mén)、公共汽車(chē)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)控制等
C 液壓控制：建筑工地打樁機(jī)、修理汽車(chē)用的液壓千斤頂?shù)?br/>D 電子控制：電子計(jì)算器、家用電冰箱、自動(dòng)門(mén)和汽車(chē)自動(dòng)變速器的電子控制裝置等
3 控制系統(tǒng)
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)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，我們稱(chēng)之為控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通常分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（open loop control system）和閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed loop control system）兩種。
簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)由兩部分組成，即被控對(duì)象和控制裝置。其中的控制裝置，包括傳感器、控制器、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)，對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還包括反饋環(huán)節(jié)與比較環(huán)節(jié)。
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：
1.概念：控制系統(tǒng)的輸出量不對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生任何影響的控 制系統(tǒng)。
2.案例：紅綠燈定時(shí)控制系統(tǒng)、防盜報(bào)警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào) 警系統(tǒng)、公園的音樂(lè)噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)、紅外線自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)、普通電風(fēng)扇風(fēng)速控制系統(tǒng)、可調(diào)光臺(tái)燈控制系統(tǒng)等。
3.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。

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸入值
輸出值
控制量
4.控制系統(tǒng)框圖
例題1
自動(dòng)門(mén)的控制系統(tǒng)
控制
器
輸入量
輸出量
執(zhí)行
器
被控
對(duì)象
控制量
紅外裝置是否發(fā)出的信號(hào)檢測(cè)到人體輻射
控制電路
電機(jī)
自動(dòng)門(mén)
門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉
方便人們的出入，醫(yī)院手術(shù)室、銀行或賓館，當(dāng)人走進(jìn)大門(mén)時(shí)自動(dòng)打開(kāi)。
原理是：當(dāng)人走進(jìn)門(mén)時(shí)，門(mén)上的紅外裝置檢測(cè)到人體熱輻射發(fā)促的紅外信息，控制電路接收到該信號(hào)后，便會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟（或控制氣動(dòng)裝置,使門(mén)向兩邊打開(kāi)）。當(dāng)門(mén)開(kāi)啟后，控制電路將作出判斷，如果沒(méi)有人在四周，就通知電機(jī)做反向運(yùn)轉(zhuǎn)，使門(mén)關(guān)閉。
例題2
根據(jù)消防要求，倉(cāng)庫(kù)、圖書(shū)館都需要安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。如有火災(zāi)發(fā)生，感應(yīng)探測(cè)器檢測(cè)到發(fā)生火災(zāi)室內(nèi)濃烈的煙霧，從而報(bào)警。畫(huà)出火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)的工作過(guò)程方框圖。指出方框圖的各個(gè)環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容和輸入量、輸出量、控制量
控制系統(tǒng)框圖
控制器
輸入量
輸出量
執(zhí)行器
被控對(duì)象
控制量
煙霧
信號(hào)
感煙探測(cè)器（感溫）探測(cè)器
報(bào)警控制電路（器）
部件：警鈴、訊響器、報(bào)警燈
練習(xí)1.
如圖：
圖中是聲控?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。
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(huà)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(huà)出聲控?zé)舻南到y(tǒng)框圖。
答案提示：
⑴ 關(guān)鍵詞：方便、節(jié)電
用墻上的開(kāi)關(guān)去開(kāi)燈或關(guān)燈，已是習(xí)以為常的事。但是，在一個(gè)黑暗的走廊里用手摸索著尋找電燈開(kāi)關(guān)很費(fèi)事，對(duì)外來(lái)的生人更是難事；另外，人走了不關(guān)燈是常有的事，形成長(zhǎng)明燈，浪費(fèi)電力。
聲控?zé)艟哂刑厥夤δ芘c應(yīng)用。比如，在公共樓道里安裝聲控?zé)艏确奖阌质‰姟?br/>所謂方便是指來(lái)到樓道里的人，只需發(fā)出一定量的聲響（如咳嗽一聲，排一下掌，跺一下腳）電燈就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，而無(wú)需去找墻上的手操開(kāi)關(guān)。所謂節(jié)電是指過(guò)了一小段時(shí)間，電燈又會(huì)自動(dòng)熄滅，沒(méi)有人的時(shí)候，電燈處于熄滅狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)明燈。
（2）把傳感器的靈敏度調(diào)小一點(diǎn)。
（3）系統(tǒng)框圖
練習(xí)2
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)可用下面方框圖來(lái)描述。
試列舉出幾種常見(jiàn)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
答：⑴水泵抽水控制系統(tǒng)
農(nóng)名種莊稼，“靠天吃飯”天氣干旱，收獲困難。水泵就是解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)需要灌溉農(nóng)田時(shí)，只要接通電源，電機(jī)就帶動(dòng)水泵工作，將水從水源處抽到干旱的農(nóng)田里。
控制
器
輸入量
輸出量
執(zhí)行
器
被控
對(duì)象
控制量
接通
電源
電機(jī)
水泵
水泵
水管
水管
排水
⑵.普通家用電飯煲的煮飯控制
接通電源（輸入）
電飯煲
電熱盤(pán)
飯熟保溫
例: 電子門(mén)鈴的開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)
輸入:
控制(處理):
輸出:
用手按動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān),輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)
音樂(lè)集成電路經(jīng)過(guò)觸發(fā)后工作,
產(chǎn)生一組載有”音樂(lè)”的電信號(hào).
揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐魳?lè)聲.
遙控器控制電視系統(tǒng)
騎自行車(chē)加速的控制
控制框圖：
帶動(dòng)
自行車(chē)
傳動(dòng)系統(tǒng)
腳踩的力
后輪
加速運(yùn)動(dòng)
操縱
110控制中心
報(bào)警控制器
110報(bào)警
警員系統(tǒng)
出車(chē)處理
閉環(huán)控制系統(tǒng)：
1.概念：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)。
例：供水水箱的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)、加熱爐的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、花房溫度控制系統(tǒng)、投籃、家用電飯鍋保溫控制系統(tǒng)、家用電冰箱溫度控制系統(tǒng)等。
2.基本組成：與開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)多了檢測(cè)裝置比較器。
3.控制系統(tǒng)框圖
反饋環(huán)節(jié)
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸入量
輸出量
控制量
比較器
4． 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征
在系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間，還有一條從輸出量返回到輸入端的反饋環(huán)節(jié)，它們形成了一條閉合回路，反饋環(huán)節(jié)使得輸出量的改變對(duì)控制的過(guò)程產(chǎn)生直接影響。
5.開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)兩者的比較
（1）開(kāi)環(huán)：
（2）閉環(huán)：
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸入量
輸出值
控制量
反饋環(huán)節(jié)
控制器
執(zhí)行器
被控對(duì)象
輸入量
輸出量
控制量
比較器
6.閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋
（1）干擾因素：
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(chēng)為干擾因素。
有的干擾因素是環(huán)境造成的，如影響自行車(chē)行駛速度的變化的自然風(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）反饋的含義：
控制系統(tǒng)中，將輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置，返回到輸入并與輸入量進(jìn)行比較的過(guò)程，就是反饋。
例：投籃、自動(dòng)電水壺
（3）反饋環(huán)節(jié)的作用：
通過(guò)將輸出量通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)裝置，返回到輸入并與輸入量進(jìn)行比較，從而減少輸出量的偏差，穩(wěn)定輸出量。
7.閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程：閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心是通過(guò)反饋來(lái)減少被控制量（輸出量）的偏差。
8.工作過(guò)程：（1）由于干擾因素的存在，系統(tǒng)的被控量偏離給定值時(shí)；（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)能及時(shí)檢測(cè)出被控量的值，并迅速反饋到輸入端，與給定值進(jìn)行比較；
（3）控制器根據(jù)比較得到的偏差信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而是系統(tǒng)的被控量接近給定值，達(dá)到精確控制的目的。
例題
1.游泳池水位控制
2.籃球比賽運(yùn)動(dòng)員投籃工作過(guò)程
3.水箱水位控制
水箱水位控制
4.人體溫度控制系統(tǒng)
家用電冰箱的結(jié)構(gòu)和制冷原理圖
組成：壓縮機(jī)、冷卻器和散熱器，它們之間用一根管道相連。
管道里裝有一種沸點(diǎn)很低的制冷劑。壓縮機(jī)在管道的底部，它使制冷劑不斷地在管道里循環(huán)。制冷劑流動(dòng)到狹窄的毛細(xì)管時(shí)，受到強(qiáng)大壓力，由氣態(tài)變成液態(tài)，通過(guò)散熱器對(duì)外放出熱量。當(dāng)制冷劑通過(guò)較粗的管道組成的冷卻器時(shí)，由于壓力突然降低，制冷劑由液態(tài)立即變?yōu)闅鈶B(tài)，從而吸收電冰箱內(nèi)的熱量，使電冰箱內(nèi)的溫度降低，達(dá)到制冷的效果。
5.家用電冰箱的閉環(huán)電子控制系統(tǒng)
控制(處理)
(電子電路)
（微型電腦）
輸出
(繼電器)
被控對(duì)象
(冷藏室)
輸入
預(yù)置溫度調(diào)節(jié)裝置
比較器
檢測(cè)
溫度傳感器
反饋
補(bǔ)充材料
功能模擬法以功能和行為的相似為基礎(chǔ)，用模型模擬原型的功能和行為的方法。它為仿生學(xué)、人工智能、價(jià)值工程提供了科學(xué)方法。如：獵手瞄準(zhǔn)獵物的過(guò)程與自動(dòng)火炮系統(tǒng)的功能行為是相似的，但二者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程是截然不同的。再如：在國(guó)際象棋的人機(jī)對(duì)弈中，計(jì)算機(jī)具有與人腦類(lèi)似的邏輯判斷功能，能模擬棋手的思維與人下棋。
黑箱方法是把將要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸入與輸出關(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。在生活中有時(shí)我們需要認(rèn)識(shí)對(duì)象的內(nèi)部無(wú)法打開(kāi)或不便打開(kāi)時(shí)這時(shí)我們可以通過(guò)觀測(cè)和考察它的輸入與輸出的關(guān)系來(lái)推測(cè)其內(nèi)部的特性和功能，如：中醫(yī)看病通過(guò)“望聞問(wèn)切”來(lái)了解病人的病況，最后對(duì)病情作出判斷。
再如：夏天買(mǎi)西瓜可以通過(guò)看瓜形、看瓜色、聽(tīng)瓜聲、測(cè)彈性來(lái)判斷西瓜的生熟。這些事例都沒(méi)有打開(kāi)事物直接觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)觀察外部或試驗(yàn)等方法來(lái)認(rèn)識(shí)事物的。
馬上行動(dòng)
（1）找出身邊開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)和閉環(huán)電子控制系統(tǒng)的例子。
開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)：電熨斗、電子門(mén)鈴、電子調(diào)光臺(tái)燈、電子手表、程序控制洗衣機(jī)、帶遙控電視機(jī)
閉環(huán)電子控制系統(tǒng)：空調(diào)機(jī)、電冰箱、智能電飯煲、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室
（2）閉環(huán)電子控制系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)相比有什么優(yōu)點(diǎn)？
閉環(huán)電子控制系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)和反饋功能，可以提高控制的精度，而且實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化。
這是閉環(huán)系統(tǒng)嗎？
同學(xué)們幾乎每天聽(tīng)著擴(kuò)音機(jī)里播放的音樂(lè)做廣播體操，但擴(kuò)音機(jī)從未引起大家的注意。學(xué)習(xí)了上面的內(nèi)容后，“擴(kuò)音機(jī)是一個(gè)什么電子控制系統(tǒng)”引起了全班同學(xué)的熱烈討論。
正方：擴(kuò)音機(jī)是一個(gè)開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)
反方：擴(kuò)音機(jī)是一個(gè)閉環(huán)電子控制系統(tǒng)
分析評(píng)判：
閉環(huán)電子控制系統(tǒng)必須符合兩個(gè)條件：
（一）它的核心是電子技術(shù)；
（二）有反饋。反方把人劃入控制系統(tǒng)，這個(gè)控制系統(tǒng)的核心就不單單是電子技術(shù)，故不能稱(chēng)為閉環(huán)電子控制系統(tǒng)。但因?yàn)榇嬖诜答仯煞Q(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)
練習(xí)根據(jù)開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別進(jìn)行分析、判斷，在你認(rèn)為正確的表格中打
開(kāi)環(huán)電子控制系統(tǒng) 閉環(huán)電子控制系統(tǒng)
電子表
電取暖系統(tǒng)
空調(diào)
程序控制洗衣機(jī)
可調(diào)亮度的臺(tái)燈
智能洗衣機(jī)
電熱水器

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