第四章　控制与设计

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第四章　控制与设计
课程目标：
1、了解人工控制、自动控制，熟悉简单的开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程 ；
2、能画出一个简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器等环节的作用，熟悉反馈环节的作用 ；
3、能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析；
4、了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制设计的方案。
重点与难点
开环控制系统和闭环控制系统的基本组成和简单的工作过程。
控制是根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定方向发展的行为和过程。
控制的涵义
例如：射手通过瞄准，使箭射中靶心。
1、控制的对象是什么
理解控制现象，需要明确：
2、控制要达到什么目的
3、采取什么控制手段
控制事例 控制的对象 控制的目的 控制的手段
大禹治水
电风扇扇叶转速快慢的控制
ABS防抱死系统
洪水
安息洪波、大治水患
疏通河道，泄洪为主
电风扇
调节速度
换挡
刹车片
防止车轮抱死发生侧翻
液压电控
马上行动
控制的实现需要通过一定的手段。从控制过程中人工干预的情形来分，控制有人工控制和自动控制。
控制过程是在人的直接干预和全程干预下进行的。
关/开 门
驾驶汽车
人工控制
指在无人直接参与的情况下，使事物的变化准确地按照期望的方向进行。
太阳能路灯
自动门
自动控制
请说说你所了解的人工控制和自动控制的事例。
马上行动
日常生活中的控制举例
（１）自动门的工作过程
（2）自动门控制系统框图
输入
输出
开环控制系统的含义
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制系统称为开环控制系统。
输入
输出
控制器
执行器
被控对象
输出量
控制量
控制电路
电机
自动门
人体热辐射
红外传感器
开或关
转动
开环控制系统方框图
输入量
传感器
对“自动门”的扩展探究三例：
①自动门模型前开过一辆汽车模型，自动门会不会打开？
②怎样让汽车开过自动门口时，自动门会打开？
③如何将自动门装置改为汽车车库中的自动门？
开环控制系统的特点：
1、系统的输出量直接受输入量的控制；
2、信号（或信息）的传递是单向的，总是从输入端单向传至输出端。
下图是一个典型的闭环控制系统——水箱水位的闭环控制系统
注入水流量
进水阀门
浮子
水箱
杆杠
实际水位
给定水位
注入水流量
控制方框图：
传感器
控制器
执行器
对象
人工
控制
人眼 人脑
和手 进水
阀门
水箱
自动
控制
浮子 连杆
机构 进水
阀门
水箱
水箱水位两种控制方式比较
环节
方式
游泳池注水控制系统方框图：
简单闭环控制系统的方框图：
被控对象
执行器
控制器
给定量
控制量
被控量
检测装置
比较器
-
+
游泳池
进水阀门
控制器
给定水位
水流量
游泳池的水位
（输出）
检测装置
比较器
+
-
闭环控制系统
闭环控制系统
定义：
系统的输出量返回到输入端并对控制过程
产生影响的控制系统称为闭环控制系统
如何判断开环控制系统与闭环控制系统
误区：自动的控制系统是闭环控制系统；
只要有检测装置就是闭环控制系统；
基本概念：
开环控制系统是由输入来控制输出的单向控制；
闭环控制系统是输出量反馈回输入端参与控制的控制系统；
如何判断开环控制系统与闭环控制系统
开环控制的特点：
1、它是单向的控制过程；
2、输入量与输出量往往是不同性质的量。
闭环控制的特点：
1、有反馈；
2、会调整；
3、“结果”会影响“结果”；
4、给定量与被控量是可比较的同一种性质的量。
这是闭环系统吗？
同学们几乎每天听着扩音机里播放的音乐做广播体操，但扩音机从未引起大家的注意。学习了上面的内容后，请大家思考：
扩音机是一个什么控制系统？
简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节，对于闭环系统来说，还包括反馈环节与比较环节。
控制系统的基本组成
根据开环电子控制系统和闭环控制系统的区别进行分析、判断，在你认为正确的表格中打“ ”
开环电子控制系统 闭环电子控制系统
电子表
电取暖系统
空调
程序控制洗衣机
可调亮度的台灯
智能洗衣机
电饭煲煮饭
练习
输入量
（接通电源）
控制器
（控制电路）
执行器
（水泵）
被控对象
（水管）
输出量
（水管排出水）
控制量
（水流量）
输入量
（开、关）
控制器
（控制电路）
执行器
（执行活塞）
被控对象
（车门）
输出量
（车门的开或关）
控制量
（压缩空气流向）
控制器
（大脑）
执行器
（手）
被控对象
（篮球）
被控量
（篮球位置）
给定量
（篮圈位置）
检测装置
（眼睛）
控制量
（投掷力）
比较器
每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等？
干扰与反馈
案例：逆风中骑自行车
脚踩的力
自行车
行使的速度
风
给定量
被控量
逆风、顺风、上坡路……
什么是干扰因素：
1.干扰因素的概念：
在控制系统中，除输入量（给定值）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰（interference）因素。
干扰
讨论：
生活中还有哪些例子说明“控制系统的干扰是存在的，是不可避免的”？
马上行动
在电冰箱的温度控制系统中，下列情况是否属于影响其温度控制的干扰因素？
（1）开电冰箱门。
外面热气进入冰箱将会引起箱内温度变化，属于干扰因素。
（2）电冰箱所在房间的温度从20℃变到32℃
属于干扰因素。
（3）把热菜或热饭放入电冰箱中。
属于干扰因素。
（4）在冰箱外放一盆冷水。
严格说这也会引起环境温度的变化，但这种变化一般有利于冰箱实现目标，不属于干扰因素。
案例分析
电视机的工作。
电视机出现画面紊乱的现象往往是由于受到外界磁场干扰。
比如：近距离摆放的电冰箱、空调器、电风扇、日光灯等等。他们就是电视机正常工作的干扰因素。
克服这些干扰的办法就是将家用电器远离电视机放置。
2.克服干扰的基本方法：
A、消除干扰
在飞机上不能使用通信工具
B、减弱干扰
电器在使用时远离其它电子设备
C、提高控制系统性能
采用闭环控制系统
3.干扰因素的特点：
（1）干扰既存在于闭环控制中，也存在于开环控制中。
声控灯开环控制，除输入的声音外，其他声音就是其干扰因素；
空调房的温度控制属于闭环控制，室外环境温度的变化就是它的干扰因素。
（2）通常，干扰因素都是作用在控制对象上，其作用是破坏控制系统的平衡——使被控量偏离平衡值。
（3）通常，干扰因素不止一个。如自行车速度控制的干扰因素除逆风外，还可能有路面状况（斜坡、粗糙度）。
（4）在进行控制系统设计时，必须对可能存在的干扰进行全面的调查和分析.
如果干扰比较经常和严重，对控制目标影响产生严重的后果，就必须考虑抗干扰措施，保证控制系统的正常工作；
如果可能存在的干扰不是很严重，对系统正常工作影响不大，就可以忽略。
因为任何抗干扰措施的实现，都意味着系统结构的复杂和成本的增加。
（5）对干扰的利用，
是指有意对控制系统施加干扰，
使控制系统无法达到控制的目标，而不是控制系统本身需要干扰。
例如：打狂犬疫苗、军事演习中对敌方信息指挥系统进行电磁波干扰。
反馈
1.什么是反馈（feedback）？
控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程就是反馈（feedback）。
[游戏]：在黑板上画两张大脸，“四官俱全”，没有鼻子。然后请一个同学上来“填”眼睛，闭着眼睛画，位置不对,也不好看。睁着眼睛画，漂亮。
控制过程中，没有反馈环节，不能对控制结果加以修正、调节。
单向， 这是开环控制。
◆ 闭着眼睛画：
◆睁着眼睛画：
人脑控制手画眼睛，在此过程中，眼睛可以把手的位置及画的效果及时反馈给大脑，使得大脑准确精细的控制手去画好眼睛。控制流向形成了闭合回路。这是闭环控制。
鼻子的 位置
被控对象
给定值
干扰
反馈环节
控制器
执行器
比较器
被控量
+
-
2.闭环控制系统的工作过程
闭环控制系统就是系统的输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程产生影响的控制系统。
闭环控制系统是通过反馈环节克服干扰因素而使系统达到稳定。
闭环控制系统受影响较小，因为闭环控制系统能不断修正控制效果。
思考与分析
在出现干扰的情况下，开环控制系统和闭环控制系统哪种受干扰的影响小？为什么？
1.绘制框图的方法：
⑴按下面的顺序确定系统各个环节
a —— 被控对象
b —— 执行器
c —— 控制器
d —— 反馈环节（对闭环而言）
控制系统框图
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
输出量
输入量
b
a
c
d
1.绘制框图的方法：
⑵确定被控量（输出量）、控制量、输入量、反馈量和偏差量。
⑶用带箭头的直线表示信息在系统中流动、传递的方向与过程。
⑷加上比较环节（闭环）
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
输出量
输入量
b
a
c
d
控制量
控制系统框图
2.绘制技巧：
自右往左画：先画被控对象，再画执行器，接着画控制器、反馈环节，最后画 。连线闭环，并标注各量。
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
输出量
输入量
b
a
c
d
控制量
控制系统框图
框图
表示
控制器
执行器
被控对象
输入量
被控量
控制量
1、开环
2、闭环
反馈环节
控制器
执行器
被控对象
给定值
输出量
控制量
比较器
干扰
干扰
控制系统框图
框图
表示
练习：
用方框图将下面的几个控制系统表示出来。
1、供水水箱的水位自动控制系统
2、加热炉的温自动控制系统
3、人工调节液面
4、希罗的自动门控制系统
1、供水水箱的水位自动控制系统
预设水位
比较器
浮球
控制器
阀门
水箱
进水量
水位
2、加热炉的温自动控制系统
热电偶
控制器
加热器
加热炉
设定温度
比较器
热量
温度
3、人工调节液面
眼睛
大脑
手、阀门
容器
给定值
比较器
液体输出量
液面位置
4、希罗的自动门控制系统
火炉
连动系统
庙门
门的开/关
相关量
火燃烧/熄灭
1、公交车超速控制
乘坐4路车，我们可能会听到“您已超速，请减速慢行”。请画出该控制系统的控制框图。
练习：
检测器
司机
变速器
汽车
设定速度
比较器
档位
速度
白天或夜晚光线较亮时，声控部分不起作用。当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。
电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声音强度达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成电路通断的自动开关控制。
请画出该控制系统框图。
2、走道路灯的声光控制系统
声光信号
声光检测
控制装置
路灯
灯亮/灭
开关
练习：
知识结构
控制的含义
控制目的
控制手段
控制手段
传感器
执行器
控制器
反馈
比较
控制装置
被控对象
控制的三要素
控制系统的组成
干扰与反馈
控制与设计
功能模拟法
黑箱法
控制系统
开环控制
闭环控制