课件42张PPT。第四章 控制与设计
第一节 了解控制生活中的控制夹 豆 子你在整个过程中是如何操作的呢？ 现代社会中控制的例子自动门音乐喷泉现代社会中控制的例子微波炉电饭煲监控验钞机 为什么需要控制? 事物的发展与变化具有多样性。例如: 下雨下雪鱼塘：
成熟的西瓜：
流行性病毒：指出下列事物发展与变化的多种可能性：马上行动干涸溢出水其中的鱼可能多而肥，可能少而弱被摘下吃掉榨汁烂掉传染人群使人发病被人的抵抗力所战胜通过预防和综合治理而被控制 事物发展的结果可能是人们预先期望的，也可能是与预期的目标不相符，甚至是不希望得到的。如果人们想达到某一特定的目的，就必须运用适当的手段来实现。 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。一、控制的含义 P（108） 大禹治水 案例分析 大禹是中国古代的传奇英雄人物，他所处的年代洪水泛滥而久治不息。他的父亲鲧受尧的命令而治水，采用垒坝筑堰、填塞洪水的方法，结果愈治愈泛，水患益盛，最终被舜帝治罪而死。鲧死后，水患并未止息。大禹子承父业，接受舜的命令进行治水。大禹治水，一改其父“以填塞而阻水”的方法，以疏通河道、泄洪为主，经过13年的努力，终于“洪波安息”、“水患大治”。
思考：大禹治水的过程中，通过什么手段实现了什么样的目的？ 大禹治水洪水安息洪波、大治水患疏通河道，泄洪为主电风扇扇叶调节速度换挡
人力三轮车改变三轮车行驶的方向双手转动车把马上行动 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，控制有手动控制和自动控制。 二、控制的手段 P(114)1、手动控制 概念：控制系统必须在人的直接干预下才能完成控制任务。
特点：有人直接干预。电梯木 门风 扇遥控模型手动冲床开车2、自动控制 概念：在控制的过程中不需要人的干预，就可按期望规律或预定程序进行的控制系统。
特点：不需要人的直接干预。手摇扇电风扇空调器手摇扇子产生风电机带动叶片转动时产生风自动调温手动手动控制自动控制案例分析：从手摇扇到空调器自动门太阳能路灯自动扶梯自动洗车自动喂水模型
下列哪些是自动控制？哪些是人工控制？ 马上行动自发电手电筒人工控制现代网络家电 生活 自动控制网络家电是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接汽车自动装配生产线 工业生产 汽车油漆自动控制农业生产 水 车自动控制温室自动控制现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件。农田灌溉 折射式微喷射流式微喷锤式微灌自动控制 试一试：分析下列控制现象是自动控制还是人工控制：
（1）摇动轱辘，提取井水；
（2）用气筒给自行车的轮胎充气；
（3）电梯的上下运行控制；
（4）农用灌溉抽水机抽水的控制。三、开环与闭环控制系统P(111)
小试验1：
闭上眼睛写“控制系统”四个字输入量： 老师的指令输出量： 所写的字思考：与睁着眼睛相比，那个更好啊？
1、闭上眼睛写字的控制过程方框图 控制过程中，没有反馈环节，不能对控制结果加以修正、调节，是个单程的控制流向，这种控制，称为开环控制。分析原因： 人脑控制手写字，在此过程中，眼睛可以把手的位置及时反馈给大脑，使得大脑准确精细地控制手去写好字。控制过程中有反馈环节可以把控制结果反馈给人脑，控制流向形成了闭合回路。这种控制称为闭环控制。
2、睁开眼睛写字的控制过程方框图眼睛1、闭环控制系统：能将控制结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用的系统。反馈环节：系统中将控制结果反馈回来的部分。
闭环控制系统又叫反馈控制系统
反馈环节是闭环控制系统的重要特征。 控制系统的分类2、开环控制系统：控制过程不将结果反馈回来影响控制作用的系统。 课堂小结
1、控制的涵义
（明确对象、目的、手段）
2、手动控制和自动控制
3、开环控制系统和闭环控制系统 1、自行车刹车装置的作用是制动，当需要减速或制动时，给握把施加一定的力，通过杠杆系统，将刹车片压紧（或轮轴），使车轮减速或制动．思考：
这个控制系统属于（ ）
Ａ自动控制 Ｂ手动控制
Ｃ机械控制 Ｄ气动控制
Ｅ开环控制系统 Ｆ闭环控制系统B.C.E 2、成语和俗语是千百年来人们生活智慧的结晶,其中不少蕴含着有关技术与设计的道理．下列与设计过程中的“结构”“流程”“系统”和“控制”依次对应的是( )
①见风使舵 ②铜墙铁壁
③磨刀不误砍柴工 ④牵一发而动全身
A．②③①④ B．②③④①
C．③②①④ D．③②④①
B课件37张PPT。第四章 控制与设计
控制系统的组成与描述自行车传动系统由下列部件构成脚蹬、曲柄、链轮、中轴、链条、飞轮等 电风扇的风速控制是通过改变电机的转速来实现的。给电风扇设定风速挡位，电机就以一定的转速带动扇叶转动，输出预定的风速。风速挡位是该控制系统的输入量，扇叶转动的风速是该控制系统的输出量，一个挡位对应着一个风速。 电风扇风速的档位电机、扇叶风速 任何一种控制的实现，都要通过若干个环节，这些环节的有机组合就构成了一个系统，称为控制系统。 控制系统的输出与输入之间有一定的对应关系。控制系统输入量控制系统输出量归纳共同点：
使用下面的方框来表示上述控制系统调速器或挡位风速接通电源的电信号锅内的温度接通电源的电信号脱粒的量人手的红外信号水龙头的出水量控制系统通常又分为开环控制系统和闭环控制系统1.开环控制系统：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响
2.闭环控制系统：系统的输出量返回到输入端并对控制系统过程产生影响的控制系统简单闭环控制系统方框图：简单开环控制系统方框图：输入量——控制系统的给定量
输出量——控制系统所要控制的量
控制器——对输入信号进行处理并发出控制命令的 装置或元件
执行器——直接对被控对象进行控制的装置或元件
被控对象——控制系统所要控制的装置或生产过程开环控制系统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。 控制器执行器被控对象输出量控制量【案例分析】开环控制系统自动门的控制系统门的开/关输
入量输
出量电机水泵水管水流量控制器执行器被控对象被控量控制量开环控制系统，信号的传递是单向的。水泵抽水控制系统【案例分析】水管排出水
接通电源
输入量输出量开环系统的方框图1、电视摇控器的控制系统
2、楼道声控灯的控制系统
3、电动车的防盗报警系统 生活中还有哪些开环控制系统？ 公共汽车车门控制系统。
音乐喷泉控制系统闹钟定时控制系统自动烘手机电吹风控制系统手电筒控制装置火灾报警系统防盗报警系统例：冲厕水箱的自动控制系统的设计
案例: 闭环控制系统如何判断开环控制系统与闭环控制系统
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。电冰箱的温度控制系统
【案例分析】比较器案例：空调器温度控制系统方框图如下：马上行动：判断下列控制系统是否属于闭环控制系统，画出方框图。热电偶控制器加热器加热炉设定温度比较器加热炉的温度自动控制系统热量炉内
温度眼睛大脑手
阀门容器给定值比较器人工调节液面液体输出量液面位置游泳池水位控制系统请完成1、家用缝纫机的缝纫速度控制系统（ ）2、电冰箱的温度控制系统（ ）属于开环控制系统属于闭环控制系统3、走道路灯的声光控制系统（ ）4、交通路口红绿灯自动控制系统（ ）开环闭环www.themegallery.comCompany Logo 5、汽车安全气囊控制系统的工作过程是：传感器检测到汽车碰撞信号，经诊断模块判定和处理后，触发气体发生器给气囊充气。该控制系统的被控对象是( )
A．被气囊保护的人 B．气囊
C．诊断模块 D．气体发生器B 6、 小明发现学校路灯有时由于没有及时关闭而浪费用电，为此他设计了一个控制方案，能够在天亮时关闭，天暗后打开。该控制系统应该属于( ) A、自动控制的闭环控制系统??
B、自动控制的开环控制系统 C、手动控制的闭环控制系统?
? D、手动控制的开环控制系统 B 7、下列关于控制系统工作过程的说法，正确的是( )
A．信息只能从输入端传至输出端
B．信息只能从输出端传至输入端
C．开环控制系统的信息只能从输入端传至输出端
D．闭环控制系统的信息只能从输出端传至输入端
C 8、在下面4个控制系统中，属于闭环控制系统的是( )
A．电风扇的定时控制系统
B．公共楼道路灯延时控制系统
Ｃ．棚室温度恒定控制系统
D．商店自动门控制系统
C如何判断【课堂小结】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。课件22张PPT。第三节 控制系统的设计与实施系统要达到的目标？
控制的对象？
被控对象的特性？
被控量和控制量？
外界的主要干扰因素？
怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现？
如何选择设备和元件？控制系统设计应考虑的问题：控制系统的设计实施控制系统所需的设备、元件等系统的成本分析控制系统调试、运行和评价控制系统的方案选择分析被控对象的主要特征明确控制的目的确定被控量、控制量分析主要的干扰因素。。。 。。。控制系统设计应考虑的问题：1、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。
2、在控制系统设计过程中，被控对象的特性往往难以直接得到，通常是通过了解被控对象的输入与输出之间的关系来分析它的基本特性，从而确定控制器的运算方式(暗箱方法)；控制系统设计的一般思路：3、一个控制系统中可能存在若干个干扰因素，需要分析主次，找出对系统影响最大的干扰因素；
4、被控量与控制量的确定是控制方案的关键，对于简单控制系统，需要控制的量往往被确定为被控量，控制量应选择可控的、对抑制干扰因素和保持系统稳定又明显作用的量；
5、执行器、检测器的选择：一是要根据被控量和控制量的需求，二是要根据控制的条件进行。控制系统设计的一般思路：1、设计一个控制系统，是选择开环控制还是闭环控制，应根据对控制精度的要求以及条件的可行性而定。控制系统设计的一般思路开环控制系统的设计相对比较简单，在明确设计要求，明确被控对象、被控量和控制量后，即可考虑具体控制系统的方案。开环控制系统的设计案例1：普通电风扇控制系统的设计
被控对象——
被控量——
控制量—— 电风扇电风扇输出的风速电机的转速案例分析2：电吹风控制系统的设计设计要求：
电吹风能根据不同的档位（如冷风档、热风档）输出不同种类的风。设计分析：
被控对象：
被控量：
控制量：
干扰因素：是电吹风装置是风的速度和温度是电机的电压是房间温度、
电源电压的波动等。方案构思：
选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。
设定风的档位就设定了电机的电压和电热丝的阻值，接通电源后，电机带动一个小风扇转动，产生的风通过电吹风的电热丝，输出的就是与设定的风种相对应的风。
确定了电吹风控制系统的设计方案后，画出必要的电器线路图，选择适当型号的元件和配件，进行组装、调试。 电吹风的控制工作过程：
电吹风是要将其内部电热丝的热量通过一个小电风扇扩散出去。闭环控制系统的设计不同的闭环控制系统用于实现不同的控制目的，要求往往也不一样。对于简单的闭环控制系统，有以下基本要求：1、一个闭环控制系统要正常工作，首先必须是稳定的
当干扰因素出现时，输出量发生偏离，系统通过动态调整使被控量回到平衡状态，系统的这种调整过程有可能使系统产生振荡，若振荡呈逐渐衰减趋势，能很快稳定下来，还属于稳定系统，否则就是不稳定系统。
2、控制系统的控制精度必须符合要求，即系统的输出量与给定值之差应控制在允许的范围之内。
3、闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。
在进行闭环控制系统的设计时，几项控制要求之间往往会产生矛盾，需要结合具体问题全面解决或有所侧重地解决。世界100大发明之一，生活必备，每天都要使用案例分析3：设计要求：
当水箱水位低于某一指定高度时，进水口立即进水。
当水箱水位达到某一指定高度时，进水口停止进水。
控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特别要求。抽水马桶水箱的自动控制系统的设计设计分析：
从设计要求来看，这是一种自动控制，因此选择闭环控制系统。
被控对象是抽水马桶的水箱，被控量是抽水马桶水箱水位的高度，控制量是进水管的水流量（进进水量），水箱水位的高度与进水量之间呈线形关系
主要干扰因素是水箱的出水流量。方案构思：
采用浮球作为水位高度的检测装置。当水箱的水位低于水箱的某个高度时，出现了水位差（给定的水位高度与实际水位高度之差），这个信号通过浮球、连杆机构传给进水阀，使进水阀打开，从而水箱进水；当水箱水位达到水箱的某个高度时，水位差为零，进水阀关闭。水箱水位控制过程：
波动冲水旋钮，使出水阀打开，水箱冲水。与此同时，进水阀打开，水箱进水，直到指定水位时，进水阀关闭。抽水马桶水箱的自动控制系统的设计讨论
在上述案例中，如果要节约用水，减少水箱每次冲水的量，你能设计哪几种方案？ 水箱一次的冲水量实际上是随水箱的横截面积和水位设定高度而变化的，即：冲水量=水箱横截面积×设定高度。 因此，要减少每次冲水量，应该从减少水箱横截面积和设定高度入手。具体方案可以有：（1）将杠杆支点右移，使浮球在较小的高度上关闭进水阀。（4）设计两种冲水方式，一种是半箱水冲洗，一种是整箱水冲洗。（3）控制出水阀开启的时间，使其在水未放完之前关闭出水阀。这相当于改变设定高度。（2）在水箱中放入比水重的物体，起到减小水箱平均截面积的作用（减少水箱的实际蓄水量）38.8万元的金马桶? ?????一套近似天价的１８Ｋ金意大利宫廷洁具亮相北京，并以当日两套订单的惊人业绩为节后刚刚复苏的家居建材市场注入了一针兴奋剂。38.8万元的金马桶? ?????一套近似天价的１８Ｋ金意大利宫廷洁具亮相北京，并以当日两套订单的惊人业绩为节后刚刚复苏的家居建材市场注入了一针兴奋剂。记者当天在建材经贸大厦意大利宫廷洁具品牌唯雅妮专卖店看到，由一件标价３８．８万元的马桶和一个标价３５．８万元的面盆组成的这套金洁具被置于用洁白的水晶吊帘营造出的一个专门展台内，显得金碧辉煌。入驻建材经贸大厦不足一周的这家意大利品牌经销商表示，希望这套目前中国最贵的金洁具能为意大利优质产品在２００５年的北京市场带来一个“开门红”。?1、“黑箱”方法主要是研究系统的（ ?? ）
A输入与输出的关系 B内部与外部的关系
C结构与功能的关系 D要素与整体的关系A2、在恒温箱自动控制系统中，检测装置的作用是（?? ）
A测量并显示温度 B测量并消除干扰
C测量并反馈温度 D测量并控制干扰C3、下列不属于开环控制系统的是（ ）
A自动门?? B 自动声控灯?
C自动烘手机 ?? D电饭锅温控系统
4、下列控制系统中，属于开环控制系统的是（ ）
A电冰箱的温度控制?????????
B计算机CPU的风扇的转速控制
C现代农业温室的温度控制???
D红绿灯定时控制系DD5、控制系统中属于自动控制系统的是（ ? ）
A按钮开关控制 B普通自来水龙头
C花房恒温度控制 D汽车驾驶C 课件29张PPT。第四单元 控制与设计 第四节 闭环控制系统的干扰与反馈
什么是干扰因素各种电器设备对电视机的干扰.干扰因素干扰因素干扰因素可能一个，也可能若干个。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因素。
有的干扰因素是由于环境造成的，如影响自行车行驶速度的变化的自然风等；
有的干扰因素是人为原因所致，如影响飞机导航信号的手机信号等。
案例1： 在飞机上，使用电子装置可能会干扰飞机的通信、导航、操纵系统，会干扰飞机与地面的无线信号联系，尤其是在升降时，即使这些干扰只造成飞机很小的角度的航向偏离，也可能导致机毁人亡的结果。1999年7月11日，某航班准备在广州白云机场降落时，出现了8度的航迹偏离，机长发现后，立即通知乘务员检查，结果发现有四五位旅客在使用移动电话。乘务员上前制止后才在着陆时恢复了正常航迹。因此在飞机上不能使用手机及其他电子产品。马上行动是是是否下表所列控制系统中，可能存在哪些干扰因素？电机输出电压的波动等、齿轮间的摩擦力等滑轮组的摩擦力等外部环境温度变化，大棚保温材料的保温性能改变等克服干扰 控制系统在工作过程中必须克服干扰，使被控量稳定。空调器的温度控制系统是闭环控制系统，它能克服室外温度变化这一干扰，当室外温度升高时，空调器监测出干扰引起的室内温度变化，通过启动压缩机降温来克服这一干扰，使室温保持稳定。克服干扰的基本方法
1、消除干扰:如飞机中不能使用通信设备 2、减弱干扰:如电器在使用时要远离其他电子设备 3、提高控制系统性能:如采用闭环控制系统干扰因素是否一无是处？干扰因素有时要克服，有时还可利用。 在军事中，可利用一定频率的电磁波对对方的信息指挥系统进行干扰。手机来电闪，
根据电磁波干扰原理反馈被控量 在自动控制系统中，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）。反馈方法： 利用反馈来分析和处理被控对象，通过系统的输出来调整系统的行为，使系统沿着预期的目标运行的方法，称为反馈方法。 闭环控制系统的核心是通过反馈来减少被控量（输出量）的偏差。所以一个闭环控制系统，能够克服外界干扰，使被控量控制在给定值附近。闭环控制系统的工作过程浮球控制器阀门水箱预设水位进水量比较器供水水箱的水位自动控制系统水位热电偶控制器加热器加热炉设定温度比较器加热炉的温度自动控制系统热量炉内温度闭环控制系统与开环控制系统的比较闭环控制：反馈控制， 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控量产生的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。
开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用价值。
闭环控制系统与开环控制系统的比较否低高是简单复杂精度要求低、
稳定场合精度要求高、
可靠性高功能模拟方法 以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为，就是功能模拟法
比较加热炉温度自动控制系 统与手动控制系统，我们发现，控制器代替人脑实现了温度控制的功能，执行器代替人手实现了调压的功能，检测装置代替了人眼实现了检测温度值的功能。
历史上曾经有过能模拟人 的动作行为的各种模型，却没 有解决从结构上模拟人的大脑 进行思考的问题，因为人的大 脑太复杂了。在没有彻底弄清 人脑内部结构和机理的情况下， 必须另辟一条新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟人脑，而是只要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是，仅仅根据模型和人脑在功能行为上的相似，实现对人脑的模拟。对人脑的模拟卡斯帕罗夫VS“深篮” 例如：在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维与人下棋。功能模拟法为仿生学、人工智能等学科提供了科学方法1997年5月11日 西瓜含有大量水分及多种人体所需的矿物质。我们去买时怎么挑选黑箱方法通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法。黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部结构和功能的方法。中医“望闻问切”判断生熟鸡蛋列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。马上行动： 判断生熟鸡蛋摇、转、看生或熟旋转速度中医诊断病情望、闻、问、切是否健康气色、舌苔、脉搏等B超探测胎儿性别B型超声波超声图象胎儿性别了解计算机的基本性能 运行应用程序 计算机的反应 计算机基本性能的好坏
1、干扰的概念
2、克服干扰的基本方法
3、反馈
4、功能模拟法
5、黑箱方法 小 结：1．家用空调温度自动控制系统是闭环控制，其中反馈环节的作用是( )
A．减少输入量 B．增加输入量
C．稳定输入量 D．稳定输出量D2．家用电视机最容易受到的影响(即干扰因素)是( )
A．环境温度 B．环境湿度 C．风的强度 D．电磁干扰D3．比较闭环控制系统和开环控制系统，下列判断正确的是( )
A．开环控制系统的控制精度较低
B．开环控制系统无反馈环节
Ｃ．闭环控制系统的抗干扰能力强
D．闭环控制系统和开环控制系统都有比较器ABC4．把在体育课上练习投篮看成一个控制系统，则下列判断正确的是( ) A．控制系统的控制器是人的大脑 B．控制系统的反馈环节是人的眼睛 C．控制系统的执行器是人的手 D．控制系统的被控量是篮球 ABC5．家用冰箱的温控系统采用闭环控制．为了进一步提高其抗干扰的性能．设计中采取的措施是( ) A．增加反馈环节 B．提高压缩机的制冷量 C．提高箱体的隔热性能 D．说明书上建议用户将冰箱远离其他家用电器放置 C
